CN108152870A - 一种光子集成电路中双领结金属纳米光学天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，包括设于衬底上表面的介质波导，所述介质波导上表面设有横向和纵向两对金属正三棱柱，两对金属正三棱柱互相垂直，每对金属正三棱柱围绕介质波导上表面中心呈领结结构。本发明的天线结构在光子集成电路中具有共振波长由横向领结结构调谐，最大局域电场强度处波长由纵向领结结构调谐的特点。

Description

一种光子集成电路中双领结金属纳米光学天线
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双领结金属纳米光学天线。
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，即使一个很小的入射光场也可以引起很大的共振，进而使得能量被束缚在金属表面附近。共振的频率与电子密度、电子的有效质量、天线的尺寸和形状等因素有关。
现有光子集成电路对LSPs共振的研究重点是以共振波长为核心的光谱检测或者用于生物传感的近场增强，也即，现有技术仅能实现对共振波长的调谐。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，能够实现对共振波长和最大局域电场强度处波长的调谐，共振波长由横向领结结构调谐，最大局域电场强度处波长由纵向领结结构调谐。
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双领结金属纳米光学天线，包括设于衬底上表面的介质波导，所述介质波导上表面设有横向和纵向两对金属正三棱柱，两对金属正三棱柱互相垂直，每对金属正三棱柱围绕介质波导上表面中心呈领结结构。
进一步，所述衬底的折射率小于介质波导的折射率。这样可以增强波导对光的束缚效果。
进一步，所述金属正三棱柱的边长范围为0.16λ-0.2λ，λ为工作波长。这样更容易激发金属正三棱柱的局域表面等离激元共振效应，使天线与波导之间的耦合更强。
进一步，所述金属正三棱柱由贵金属材料构成。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。
进一步，所述介质波导的材料为Si3N4。
进一步，所述介质波导的规格尺寸为3μm×1μm×0.1μm。
进一步，所述衬底的材料为玻璃介质。
进一步，所述衬底的规格尺寸为3μm×3μm×0.6μm。
进一步，所述金属正三棱柱的厚度为46nm。
进一步，所述每对金属正三棱柱中，两个金属正三棱柱之间的间隔为50nm。
有益效果：本发明公开了一种光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，介质波导上表面设有横向和纵向两对金属正三棱柱，两对金属正三棱柱相互垂直，每对金属正三棱柱围绕波导上表面中心呈领结结构，这种天线结构在光子集成电路中具有共振波长由横向领结结构调谐，最大局域电场强度处波长由纵向领结结构调谐的特点。
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(a)是本发明具体实施方式中在L1＝120nm,L2＝120nm,G1＝G2＝50nm情况下，横向领结结构和双领结结构的消光光谱；
图3(b)是本发明具体实施方式中在L1＝130nm,L2＝120nm,G1＝G2＝50nm情况下，横向领结结构和双领结结构的消光光谱；
图3(c)是本发明具体实施方式中在L1＝140nm,L2＝120nm,G1＝G2＝50nm情况下，横向领结结构和双领结结构的消光光谱；
图3(d)是本发明具体实施方式中在L1＝150nm,L2＝120nm,G1＝G2＝50nm情况下，横向领结结构和双领结结构的消光光谱；
图4(a)是本发明具体实施方式中在L2＝120nm,L1＝120nm,G1＝G2＝50nm情况下，纵向领结结构和双领结结构的最大局域电场强度与波长的关系示意图；
图4(b)是本发明具体实施方式中在L2＝130nm,L1＝120nm,G1＝G2＝50nm情况下，纵向领结结构和双领结结构的最大局域电场强度与波长的关系示意图；
图4(c)是本发明具体实施方式中在L2＝140nm,L1＝120nm,G1＝G2＝50nm情况下，纵向领结结构和双领结结构的最大局域电场强度与波长的关系示意图；
图4(d)是本发明具体实施方式中在L2＝150nm,L1＝120nm,G1＝G2＝50nm情况下，纵向领结结构和双领结结构的最大局域电场强度与波长的关系示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式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双领结金属纳米光学天线，如图1和图2所示，包括设于衬底2上表面的介质波导1，介质波导1上表面设有横向和纵向两对金属正三棱柱3，两对金属正三棱柱3互相垂直，每对金属正三棱柱3围绕介质波导1上表面中心呈领结结构。
领结结构表现为每对金属正三棱柱3中，两个金属正三棱柱3尺寸相同，互为镜像。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。金属正三棱柱3由贵金属纳米材料制成，一般为金、银材料，这里取金纳米材料。横向和纵向金属正三棱柱3的边长L1和L2取值范围为120-150nm，间隔为10nm。每对金属正三棱柱3间隔取值G1＝G2＝50nm，金属正三棱柱3的厚度为46nm。工作波长λ为750nm。
下面通过光波导理论、时域有限差分算法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TE基模激励源，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-1000nm，幅值为1v/m。计算中采用软件材料库中的Au-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。
为了得到纳米光学天线的消光光谱，定义消光光谱E(λ)＝Tref-Tant，其中Tref为不加天线时波导的传输光谱，Tant为加天线时波导的传输光谱。取消光光谱波峰位置处为天线的共振波长。
为了研究横向领结结构对天线共振波长的影响，设定横向金属正三棱柱的边长L1＝120-150nm，取值间隔为10nm，纵向金属正三棱柱的边长L2＝120nm，每对金属正三棱柱3间隔取值G1＝G2＝50nm，金属三棱柱3的厚度为46nm不变。依据上述参数设定，对本具体实施方式天线进行仿真，通过入射光4和透射光5可得到不同尺寸天线的消光光谱，仿真结果如图3(a)-(d)所示。由图中可以看出，双领结金属纳米天线的共振波长始终与横向领结结构共振波长保持一致，并且边长越大，共振波长越大。因此，该天线结构在光子集成电路中的共振波长由横向领结结构决定。
为了研究纵向领结结构与天线的最大局域电场强度处波长的关系，设定纵向金属正三棱柱的边长L2＝120-150nm，取值间隔为10nm，横向金属正三棱柱的边长L1＝120nm，每对金属正三棱柱3间隔取值G1＝G2＝50nm，金属三棱柱3的厚度为46nm不变。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表面为观测平面，记录该平面处的最大局域电场强度，仿真结果如图4(a)-(d)所示，从图中可以看出，纵向领结结构尺寸改变时，其最大局域电场强度处的波长改变，双领结金属纳米天线最大局域电场强度处的波长也随之改变，并且与纵向领结结构最大局域电场强度处波长保持一致。
综上可知，本发明的天线结构在光子集成电路中具有共振波长由横向领结结构调谐，最大局域电场强度处波长由纵向领结结构调谐的特点。

Claims (10)

1.一种光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，包括设于衬底(2)上表面的介质波导(1)，其特征在于：所述介质波导(1)上表面设有横向和纵向两对金属正三棱柱(3)，两对金属正三棱柱(3)互相垂直，每对金属正三棱柱(3)围绕介质波导(1)上表面中心呈领结结构。
2.根据权利要求1所述的光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，其特征在于：所述衬底(2)的折射率小于介质波导(1)的折射率。
3.根据权利要求1所述的光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，其特征在于：所述金属正三棱柱(3)的边长范围为0.16λ-0.2λ，λ为工作波长。
4.根据权利要求1所述的光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，其特征在于：所述金属正三棱柱(3)由贵金属材料构成。
5.根据权利要求1所述的光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，其特征在于：所述介质波导(1)的材料为Si3N4。
6.根据权利要求1所述的光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，其特征在于：所述介质波导(1)的规格尺寸为3μm×1μm×0.1μm。
7.根据权利要求1所述的光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，其特征在于：所述衬底(2)的材料为玻璃介质。
8.根据权利要求1所述的光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，其特征在于：所述衬底(2)的规格尺寸为3μm×3μm×0.6μm。
9.根据权利要求1所述的光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，其特征在于：所述金属正三棱柱(3)的厚度为46nm。
10.根据权利要求1所述的光子集成电路中双领结金属纳米光学天线，其特征在于：所述每对金属正三棱柱(3)中，两个金属正三棱柱(3)之间的间隔为50nm。
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