CN108181672B - 一种混合等离激元波导布拉格光栅 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种混合等离激元波导布拉格光栅，混合等离激元波导布拉格光栅包括金属Ag层、高折射率材料Si层以及Ag层和Si层中间填充的低折射率层。本发明所提供的HPWBG可以实现在禁带1550nm附近宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射，且可以实现低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。

Description

一种混合等离激元波导布拉格光栅
技术领域
本发明属于用于光通信、集成光学等领域的人工微结构材料，尤其涉及一种混合等离激元波导布拉格光栅。
背景技术
近年来人们发展了多种纳米光波导结构来满足集成光子器件领域的高集成度要求，如光子晶体波导、等离激元波导等。其中，表面等离激元波导因其突破衍射极限的尺度和光电集成的材料特性被广泛关注。然而金属带来的损耗导致波导模式的传播距离很小，限制了表面等离激元波导及波导型器件的应用。因此能有效降低损耗和增大了传输距离的混合等离激元波导结构被提出。混合等离激元波导(hybrid plasmonic waveguides,HPWs)的关键点就是在金属和高折射率介质间引入了低折射率间隙，使得波导结构能够在介质波导的低损耗和表面等离激元波导的模式约束能力之间获得较好的折中。正是基于这个原因，各种基于HPWs的集成光子器件被设计出来，例如表面等离激元纳米透镜、高效的光学调制器、偏振光束器，等等。
其中，作为波长依赖的光子器件布拉格光栅，结合HPWs结构以杰出的滤波特性和低损耗特性吸引了很多学者的研究。Jiansheng Liu等人设计了一种基于HPWs的纳米结构光栅(Xiao J,Liu J,Zheng Z,et al.Design and analysis of a nanostructuregrating based on a hybrid plasmonic slot waveguide[J].Journal of Optics,2011,13(10):105001.)，它可以用作TM模式的宽带滤波器。Daoxin Dai等人也利用HPWs设计了一种结构简单、性能优良的超宽带宽带TM通偏振器(Guan X,Xu P,Shi Y,et al.Ultra-compact Broadband TM-pass Polarizer Using a Silicon Hybrid PlasmonicWaveguide Grating[C]//Asia Communications and Photonics Conference.2013.)。值得注意的是，当频率处于通带位置时光栅结构的透射谱的总是存在明显的震荡，这对一些灵敏度不高的探测器来说是不适宜的。所以研究如何在减少透射谱振荡和提高透过率的同时保持滤波的良好特性是非常有意义的。
发明内容
本发明一种的目的是针对现有技术的缺陷，提供结构简单，能实现在中心波长1550nm附近宽波段的TM模式的滤波作用，且能根据需要对低频通带、高频通带及禁带的透射谱进行调节优化的混合等离激元波导布拉格光栅。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术特征:一种混合等离激元波导布拉格光栅，所述的混合等离激元波导布拉格光栅包括金属Ag层、高折射率材料Si层以及Ag层和Si层中间填充的低折射率层。
进一步的，低折射率层包括两端的导纳匹配区和中间的布拉格结构区。
进一步的，布拉格结构区由两种低折射率材料交替排列呈周期性结构，所述导纳匹配区采用一种低折射率材料。
进一步的，布拉格结构区一个周期中两种材料的占空比为0.5:0.5。
进一步的，两种低折射率材料的长度根据布拉格反射条件在入射波长1550nm下求出。
进一步的，导纳匹配区的长度不同于布拉格结构区的长度。
进一步的，导纳匹配区和布拉格结构区的低折射率材料为TiO2和SiO2。
进一步的，混合等离激元波导布拉格光栅能够实现在禁带1550nm的宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射。
混合等离激元波导布拉格光栅，在两端的匹配区低折射材料为同一种材料，内部的布拉格结构区两种低折射率材料是周期性交替排列，其周期长度Λ是根据布拉格反射条件qλ/2＝nneff,1dB+nneff,2(Λ-dB)，在入射波长λ＝1550nm求出。其中，q是布拉格反射的级数，通常取1。两种低折射率材料在波导中的有效折射率分别为nneff,1和nneff,2，且一个周期中两种材料的占空比为0.5:0.5。
混合等离激元波导布拉格光栅其透射谱在禁带的两层会出现明显的震荡(这也是多层光栅结构的特性)。为了使得禁带两侧的通带透射谱不再出现震荡，且提高通带的透过率，利用导纳匹配原理，通过对波导匹配区的长度进行调制，使得其导纳值达到一个特定的最优值Yop＝Xop+iZop。该最优值是通过计算的布拉格结构区最外层的导纳实现的，即下式：
Figure GDA0002902558580000021
其中，ηR和ηI是最外层的导纳实部和虚部，它是通过其宽度为dB的有效折射率为NB＝nB-iκB的材料来计算的，即：ηB＝ηR-iηI＝nB–iκB。正入射情况下有效相位厚度定义为δB＝α–iβ＝(2π/λ)(nB–iκB)dB。
匹配层的导纳由下式计算得出：
Figure GDA0002902558580000031
其中，正入射情况下相位厚度δM＝(2π/λ)nM dM是通过匹配层长度dM和匹配层的有效折射率nM在波长λ计算的。这里我们设定外界的环境折射率nsub＝1。通过调整dM使得YM的数值趋近于Yop即导纳匹配，继而实现对TM模式低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。
本发明的有益效果是：本发明所提供的HPWBG可以实现在禁带1550nm附近宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射，且可以实现低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。
附图说明
图1是实施例的HPWBG的结构示意图。
图2是实施例入射光从空气中垂直入射HPWBG的透射谱，(a)-(c)分别为dM等于160nm、80nm和210nm时TE和TM模式的透射谱。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示为HPWBG的结构示意图。金属Ag条和高折射率材料Si之间交替排列低折射率材料SiO2和TiO2。
混合等离激元波导布拉格光栅，在两端的匹配区低折射材料为同一种材料，内部的布拉格结构区两种低折射率材料是周期性交替排列，其周期长度Λ是根据布拉格反射条件qλ/2＝nneff,1dB+nneff,2(Λ-dB)，在入射波长λ＝1550nm求出。其中，q是布拉格反射的级数，通常取1。两种低折射率材料在波导中的有效折射率分别为nneff,1和nneff,2，且一个周期中两种材料的占空比为0.5:0.5。
混合等离激元波导布拉格光栅其透射谱在禁带的两层会出现明显的震荡(这也是多层光栅结构的特性)。为了使得禁带两侧的通带透射谱不再出现震荡，且提高通带的透过率，利用导纳匹配原理，通过对波导匹配区的长度进行调制，使得其导纳值达到一个特定的最优值Yop＝Xop+iZop。该最优值是通过计算的布拉格结构区最外层的导纳实现的，即下式：
Figure GDA0002902558580000041
其中，ηR和ηI是最外层的导纳实部和虚部，它是通过其宽度为dB的有效折射率为NB＝nB-iκB的材料来计算的，即：ηB＝ηR-iηI＝nB–iκB。正入射情况下有效相位厚度定义为δB＝α–iβ＝(2π/λ)(nB–iκB)dB。
匹配层的导纳由下式计算得出：
Figure GDA0002902558580000042
其中，正入射情况下相位厚度δM＝(2π/λ)nM dM是通过匹配层长度dM和匹配层的有效折射率nM在波长λ计算的。这里我们设定外界的环境折射率nsub＝1。通过调整dM使得YM的数值趋近于Yop即导纳匹配，继而实现对TM模式低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。
在本实施例中设置各参数如下：hSi＝230nm，hl＝50nm，wSi＝400nm，wm＝hm＝100nm.dB＝Λ/2＝160nm。周期数N＝10.5，即波导的前后两端为同种低折射率材料。
图2为入射光从空气中垂直入射HPWBG的透射谱。图2(a)-(c)分别为dM等于160nm、80nm和210nm时TE和TM模式的透射谱。表1给出了不同频率下的导纳值Y。可以看出，TE模式的透射谱类似与直波导，dM的改变并没有影响其透射谱，并且随入射频率的减小而截至。对于TM模式，当dM＝dB时，Yop和YM的差值较大，此时禁带两侧的通带透射谱都存在明显的震荡，而通过调整匹配层的长度dM，Yop和YM的差值在低频通带(如0.7eV)和高频通带(如0.9eV)位置都相应减小，透射谱此时也得到相应地平滑和增大，即可以通过对匹配层的宽度调制达到优化特定波段透射谱的效果。
表1导纳值Y
Figure GDA0002902558580000051
由此实施例可以看出，本发明提出的一种HPWBG。其结构简单，能实现在中心波长1550nm附近宽波段的TM模式的滤波作用，通过导纳匹配对匹配层长度进行调制继而根据需要对低频通带、高频通带及禁带的透射谱进行调节优化。

Claims (1)

1.一种混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述的混合等离激元波导布拉格光栅包括金属Ag层、高折射率材料Si层以及Ag层和Si层中间填充的低折射率层；
所述低折射率层包括两端的导纳匹配区和中间的布拉格结构区；
所述布拉格结构区由两种低折射率材料交替排列呈周期性结构，所述导纳匹配区采用一种低折射率材料；
所述布拉格结构区一个周期中两种材料的占空比为0.5:0.5；
所述两种低折射率材料的长度根据布拉格反射条件在入射波长1550nm下求出；所述导纳匹配区的长度不同于布拉格结构区的长度；
所述导纳匹配区和布拉格结构区的低折射率材料为TiO2和SiO2；
hSi＝230nm，hl＝50nm，wSi＝400nm，wm＝hm＝100nm，dB＝Λ/2＝160nm，周期数N＝10.5，即波导的前后两端为同种低折射率材料，其中hSi为Si层高度，hl为低折射率层高度，wSi为Si层宽度，wm为Ag层宽度，hm为Ag层高度，dB为布拉格结构区交替排列低折射率材料的宽度，Λ是周期长度；
所述混合等离激元波导布拉格光栅能够实现在禁带1550nm的宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射。
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金属-介质-金属波导布拉格光栅的模式特性;陈奕霖，许吉，时楠楠，张雨，王云帆，高旭，陆云清;《光学学报》;20171130;第37卷(第11期);2.2节MIN WBG中的反对称与对称模式，图3 *

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