CN108020873A - 一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线 - Google Patents

一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线 Download PDF

Info

Publication number
CN108020873A
CN108020873A CN201711225445.XA CN201711225445A CN108020873A CN 108020873 A CN108020873 A CN 108020873A CN 201711225445 A CN201711225445 A CN 201711225445A CN 108020873 A CN108020873 A CN 108020873A
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
octagon
integrated circuits
photonic integrated
antenna
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711225445.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN108020873B (zh
Inventor
余旭涛
凌森银
杜恒
唐路
陈鹏
张慧
张在琛
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southeast University
Original Assignee
Southeast University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southeast University filed Critical Southeast University
Priority to CN201711225445.XA priority Critical patent/CN108020873B/zh
Publication of CN108020873A publication Critical patent/CN108020873A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108020873B publication Critical patent/CN108020873B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)

Abstract

本发明公开了一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线，包括设置在衬底上表面的介质波导，介质波导上表面设有八个长方体金属块，八个金属块围绕介质波导上表面中心呈正八边形。本发明的天线结构在光子集成电路中具有较高的局域场增强。

Description

一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线
技术领域
本发明涉及光子集成电路和纳米光学天线技术领域，特别是涉及一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线。
背景技术
无源光子集成电路所集成的器件是无源光器件，普遍采用平面光波导技术。光波导是一种能够将光限制在其内部或其表面附近，引导光波沿着确定的方向传播的导光通路。当光在波导内传输且发生全反射时，会在两种不同介质的分界面上产生一种其幅值随与分界面相垂直深度的增大而呈指数形式衰减，而随切向方向改变相位的电磁波，又叫消逝波。
金属纳米天线由金属纳米结构构成，利用金属纳米颗粒的独特性进行传播场与局域场的相互转换，即当入射光与金属纳米颗粒相互作用时，金属表面的自由电子产生局域振荡，当电子的振荡频率与入射光波的频率一致时，会形成表面等离激元(LocalizedSurface Plasmons,LSPs)共振，进而能量被束缚在金属表面附近。基于LSPs共振的金属纳米结构具有对可见/红外光进行场约束、场增强或重定向等功能，这些作用使得纳米天线在太阳能利用、生物化学检测器、高分辨率成像、癌症治疗等领域备受青睐。
而在光子集成电路中，金属纳米天线作为外部世界和波导之间的传感器，其利用光子集成电路的传输线——平面介质波导上表面的消逝波耦合金属纳米结构，从而激发LSPs共振，在光传输路径上形成热点，实现局域场增强。但现有的光子集成电路中的金属纳米天线产生的局域场增强效果不明显，因此怎样设计金属纳米天线的结构激发出更强纳米天线的局域电场是需要进一步解决的问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种具有较高局域场增强的光子集成电路中八边形金属纳米光学天线。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的光子集成电路中八边形金属纳米光学天线，包括设置在衬底上表面的介质波导，介质波导上表面设有八个长方体金属块，八个金属块围绕介质波导上表面中心呈正八边形。
进一步，所述衬底的折射率小于介质波导的折射率。这样能够增强波导对光的束缚效果。
进一步，所述金属块的长度范围为0.1λ-0.16λ，λ为工作波长。这样更容易激发金属块的局域表面等离激元共振效应。
进一步，所述八边形中心到金属块的距离为0.26λ-0.67λ。
进一步，所述金属块由贵金属材料制成。因为金、银等贵金属的介电常数在可见光及近红外光波段内，更容易满足局域表面等离激元共振的条件。
有益效果：本发明公开了一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线，介质波导上表面设有八个长方体金属块，八个金属块围绕介质波导上表面中心呈正八边形，这种天线结构在光子集成电路中具有较高的局域场增强。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中天线的三维结构示意图；
图2是本发明具体实施方式中天线的俯视结构示意图；
图3是本发明具体实施方式在没有八边形天线的情况下介质波导的传输和反射频谱示意图；
图4是本发明具体实施方式在没有八边形金属天线的情况下介质波导上方平面的电场分布效果图；
图5是本发明具体实施方式中金属块长度变化对波导传输和反射频谱及共振波长的影响示意图；
图6(a)-图6(c)是本发明具体实施方式中金属块长度变化对观测平面的共振电场强度的影响效果图；
图7是本发明具体实施方式中八边形金属天线高度变化对波导传输和反射频谱及共振波长的影响示意图；
图8(a)-图8(d)是本发明具体实施方式中八边形金属天线高度变化对观测平面的共振电场强度的影响效果图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线，如图1和图2所示，包括设置在衬底2上表面的介质波导1，介质波导1上表面设有八个长方体金属块3，八个金属块3围绕介质波导1上表面中心呈正八边形。介质波导1的规格尺寸为3μm×1μm×0.1μm，介质波导1的材料为Si3N4，折射率为2.0，衬底2的规格尺寸为3μm×3μm×0.6μm，衬底2的材料为玻璃介质，折射率为1.45。金属块3由金纳米材料制成。八个金属块3为形状、大小相同的长方体结构，金属块3的长度范围L为80-120nm，八边形金属天线的高度范围H为0.2-0.5μm，金属块3的厚度为46nm，宽度为46nm。工作波长λ为750nm。其中，八边形金属天线的高度是指八边形中心到金属块3的距离。
下面通过时域有限差分算法、光波导理论和局域表面等离激元理论仿真分析本具体实施方式纳米光学天线的特性：
如图1所示，入射光4设置为波导模式激励源，沿介质波导入射到另一端面作为透射光5。入射光4波长范围为500nm-950nm，幅值为1v/m，相位为0。计算中采用软件材料库中的Au(Gold)-Palik材料作为金属介质。
采用时域有限差分算法，仿真区域设置为真空的背景环境，尺寸为3μm×3μm×3μm，吸收边界条件选择完美匹配层(PML)来吸收外来波和避免非电磁反射。考虑到计算时间和计算的精确度，本具体实施方式采用网格精度为2的自适应网格划分。同时设置金属天线与介质波导1分界面处z方向上的网格精度为2nm。
为了研究八边形金属纳米天线对共振波长、波导透射率和近场电场增强特性的影响，在不加八边形金属天线的情况下进行仿真并选择介质波导1上方金属块3厚度中点所在平面为观测面，记录该平面处的归一化电场强度，通过入射光4和透射光5可得到无天线时介质波导1的传输和反射频谱。仿真结果如图3和图4所示，从图3可以看出，随着波长的增加，介质波导1透射率逐渐降低，最低约为0.88；从图4可以看出，该平面处的最大归一化电场强度约为0.6v/m。
为了研究金属块3的长度L对共振波长、波导透射率和近场电场增强特性的影响，设定八边形金属天线高H为0.3μm、金属块厚度为46nm、宽度为46nm不变，金属块3的长度L由80nm逐渐增大到120nm，增加间隔为20nm。依据上述参数的设定对本具体实施方式天线进行仿真并选择介质波导1上方金属块3厚度中点所在平面为观测面，记录该平面处的归一化电场强度，通过入射光4和透射光5可得到不同长度对应的波导传输和反射频谱。仿真结果如图5和图6(a)-图6(c)所示，从图中可以看出，金属纳米光学天线的共振波长随着长度L的增加在不断增加，同时介质波导1在共振波长处的透射率在不断降低。具体来说，当金属块3长度为80nm时，共振波长约为650nm，透射率约为0.66，此时该平面内在光波长667nm处最大归一化共振电场强度可达到13.1v/m；当金属块3长度为100nm时，共振波长约为750nm，透射率为0.6，此时该平面内在光波长736nm处最大归一化共振电场强度可达到17.6v/m；当金属块3长度为120nm时，共振波长约为820nm，透射率约为0.51，此时该平面内在光波长823nm处最大归一化共振电场强度可达到12.9v/m。观测平面的最大归一化电场强度与无天线时相比增强了21.5-29倍。
为了分析八边形金属天线高H对共振波长、波导透射率和近场电场增强特性的影响，设定八边形金属天线金属块3的长度L为120nm、金属块3厚度为46nm、宽度为46nm不变，八边形金属天线的高度H从0.2μm以0.1μm的间隔增加到0.5μm，依据上述参数设定对本具体实施方式天线进行仿真并选择波导上方金属块3厚度中点所在平面为观测面，记录该平面处的归一化电场强度，通过入射光4和透射光5可得到不同高度对应的波导传输和反射频谱。仿真结果如图7和图8(a)-图8(d)所示，从图中可以看出，八边形金属天线高度的增加不影响金属纳米光学天线的共振波长，其均保持在820nm左右。在共振波长处，当高度H为0.4μm时，介质波导1的透射率达到最低为0.49，相应的观测平面内局域场增强效果也更明显，最大归一化共振电场强度达到18.1v/m。在高度H为0.2μm、0.3μm和0.5μm时，观测平面的最大归一化共振电场强度分别为13.5v/m、12.9v/m和13.0v/m。观测平面的最大归一化电场强度与无天线时相比增强了21.5-31倍。

Claims (5)

1.一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线，包括设置在衬底上表面的介质波导，其特征在于：介质波导上表面设有八个长方体金属块，八个金属块围绕介质波导上表面中心呈正八边形。
2.根据权利要求1所述的光子集成电路中八边形金属纳米光学天线，其特征在于：所述衬底的折射率小于介质波导的折射率。
3.根据权利要求1所述的光子集成电路中八边形金属纳米光学天线，其特征在于：所述金属块的长度范围为0.1λ-0.16λ，λ为工作波长。
4.根据权利要求1所述的光子集成电路中八边形金属纳米光学天线，其特征在于：所述八边形中心到金属块的距离为0.26λ-0.67λ。
5.根据权利要求1所述的光子集成电路中八边形金属纳米光学天线，其特征在于：所述金属块由贵金属材料制成。
CN201711225445.XA 2017-11-29 2017-11-29 一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线 Active CN108020873B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711225445.XA CN108020873B (zh) 2017-11-29 2017-11-29 一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711225445.XA CN108020873B (zh) 2017-11-29 2017-11-29 一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108020873A true CN108020873A (zh) 2018-05-11
CN108020873B CN108020873B (zh) 2020-03-31

Family

ID=62077642

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711225445.XA Active CN108020873B (zh) 2017-11-29 2017-11-29 一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108020873B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111624704A (zh) * 2019-02-27 2020-09-04 达姆施塔特工业大学 光子集成电路

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104101933A (zh) * 2014-07-15 2014-10-15 首都师范大学 平面光学元件及其设计方法
US20160195676A1 (en) * 2013-06-25 2016-07-07 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Integrated photonic devices based on waveguides patterned with optical antenna arrays

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160195676A1 (en) * 2013-06-25 2016-07-07 The Trustees Of Columbia University In The City Of New York Integrated photonic devices based on waveguides patterned with optical antenna arrays
CN104101933A (zh) * 2014-07-15 2014-10-15 首都师范大学 平面光学元件及其设计方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李金芳等: "纳米天线技术在光学上的应用", 《信息通信》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111624704A (zh) * 2019-02-27 2020-09-04 达姆施塔特工业大学 光子集成电路

Also Published As

Publication number Publication date
CN108020873B (zh) 2020-03-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Verslegers et al. Temporal coupled-mode theory for resonant apertures
US8481945B2 (en) Optical frequency converter
Butt et al. Plasmonic refractive index sensor based on MIM square ring resonator
Zhu et al. Engineering the propagation properties of planar plasmonic terahertz waveguides
US9329339B2 (en) Plasmonic detector and method for manufacturing the same
CN106486729A (zh) 基于人工表面等离激元的紧凑型闭环谐振器
Chen et al. Tunable resonances in the plasmonic split-ring resonator
Konoplev et al. Surface-field cavity based on a two-dimensional cylindrical lattice
CN108020873A (zh) 一种光子集成电路中八边形金属纳米光学天线
CN108152870A (zh) 一种光子集成电路中双领结金属纳米光学天线
Li et al. Multispectral perfect absorbers using plasmonically induced interference
US20140321805A1 (en) Ultra-flat plasmonic optical horn antenna
CN107315222B (zh) 表面波光子晶体
CN107037661B (zh) 一种中红外光波导结构
Pack et al. Propagation of femtosecond light pulses through near-field optical aperture probes
Daneshmandi et al. A new high performance MSM hybrid plasmonic photodetector based on nanogratings and dual mode horn shape waveguide
Gerhard et al. Comparative terahertz study of rectangular metal waveguides with and without a ridge
CN107167874B (zh) 能量吸收器
Baranwal et al. Enhanced Gain triangular patch nanoantenna using Hybrid plasmonic waveguide on SOI technology
JP2020052066A (ja) テラヘルツ波検出装置
Dong et al. Optical Properties of Bowtie-Type Nanoantennas Integrated Onto a Silicon Waveguide Platform
WO2024055426A1 (zh) 基于GaAs的多功能太赫兹器件
Brito et al. Design and Simulation of Broadband Horn Nanoantennas for Nanophotonic Applications
Tao et al. Simulation of analogue of electromagnetically induced transparency (EIT) based on metal metamaterials
CN217766907U (zh) 基于狭缝波导的光学组件及光芯片

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant