CN108646324A - 基于双短腔耦合系统pia效应的开关及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双短腔耦合系统PIA效应的开关，背景的下部对称设置有波导，波导之间自下而上垂直间隔排列有第一短腔和第二短腔，波导间第一短腔和第二短腔相干耦合，在透射谱上会出现两个透射峰和一个PIA窗口；对PIA窗口的相位响应进行仿真，会出现反常色散；在双腔系统的第二短腔正上方再增加第三短腔，从而形成双PIA系统，在透射谱上会出现两个PIA窗口，通过控制第三短腔的有无，形成开关功能。本发明的双腔耦合系统不需要外界能量激励泵浦，不仅具有高透射率，工作波段可调等优点，而且结构设计简单，易于调控，在快光、光开关、滤波器等全光信号处理和全光器件设计方面，具有相当重要的理论价值和非常深远的实际意义。

Description

基于双短腔耦合系统PIA效应的开关及控制方法

技术领域

本发明涉及光学元器件表面等离子体技术，是利用表面等离子体结构中双短腔的相干耦合实现PIA效应的方法，尤其涉及基于双短腔耦合系统PIA效应的开关及控制方法。

背景技术

面对光学元器件多元化的发展需求，具有透射性强，亚波长局域等特点的表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）越来越受到人们的关注。SPPs是一种存在于金属-介质交界面上，在外部入射场与金属表面自由电子共同激荡的作用下产生的沿金属表面传播并束缚于其上的电磁波。SPPs的存在突破了衍射极限，使得纳米尺度光子器件在亚波长范围内对光场的调控成为可能，表面等离子体激元在最近一些年里已经引起人们相当大的兴趣。各种基于表面等离子体的波导结构，例如弯曲的波导、分波器和滤波器等已经被理论上设计出来或者被实验展示出来。国内外对此已经做了大量的研究工作，验证了决定表面等离子体波导结构传输特性的各种因素，比如波导结构的形状、表面效应、结构参数、尺寸等基本特征，很多研究结果已经应用于制造光学开关、光学滤波器和高度集成光学电路中的光学器件。

在原子气体中，由于量子干涉，导致在共振频率处，光波的吸收被消除，等效折射率变大，在原子气体的吸收谱上表现为吸收峰的迅速消失和在共振频率处的狭窄透射峰的出现，这种现象被称为电磁诱导透明(Electromagnetically induced transparency,EIT)。由于在透明窗口处具有强烈的色散作用，电磁诱导透明效应在非线性光学进程、超快开关和光学数据存储等方面都有着潜在的应用。然而，由于在原子系统中实现电磁诱导透明效应往往对外界条件有着苛刻的要求。值得庆幸的是，在经典的等离子体激元谐振器系统中，也很容易实现类EIT的光响应，即表面等离子体激元诱导透明(Plasmon-inducedtransparency, PIT)或类电磁感应透明(an analogue of EIT or EIT-like)。它是发生在金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal, MIM)波导中一个特别有趣的现象，也被认为是实现纳米集成光子学电路最有前途的方式之一。值得注意的是，在经典系统中EIA的实现，就像等离子体EIT一样，是和Fano共振紧密联系的等离子体结构，且两者都表示Fano共振的特殊情况。与类EIT一样，PIA在光开关、滤波器和光谱分离器等高集成度光路中具有潜在的应用前景。然而，在MIM等离子体波导中很少研究PIA。而且对PIA现象的研究，大部分工作都局限于PIA现象的实现，对于PIA的形成和演化机制的研究还相对较少，且其结构复杂，PIA效应特性还不够完善。因此，为了克服上述问题，迫切需要一种简单的结构来实现完美的PIA效应，对其形成和演化机制进行研究，并探索其潜在的应用范畴。

发明内容

本发明的目的在于基于表面等离激元系统提出一种实现PIA效应的双腔耦合结构，而且在该结构的基础上可以提出能实现全光开关的结构，不仅能实现高效的工作性能，且结构设计简单，便于实现。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种基于双短腔耦合系统PIA效应的开关，包括背景1、波导2、第一短腔3和第二短腔4，所述背景1的下部对称设置有所述波导2，所述波导2之间自下而上垂直间隔排列有第一短腔3和第二短腔4，构成双腔系统；波导2之间的第一短腔3和第二短腔4相干耦合，在透射谱上会出现两个透射峰和一个PIA窗口；对PIA窗口的相位响应进行仿真，会出现反常色散；在双腔系统的第二短腔4正上方再增加第三短腔5，构成三腔系统；各短腔之间两两相互作用，在透射谱上会出现两个PIA窗口，称为双PIA系统，通过控制第三短腔5的有无，形成开关功能。

进一步，所述波导2为构成表面等离子体激元双腔耦合波导系统的金属-介质-金属（MIM），材料为SiO₂。

进一步，所述第一短腔3、第二短腔4和第三短腔5的材料均为熔融的SiO₂。

进一步，所述背景1的材料为金属Ag。

一种基于双短腔耦合系统PIA效应的开关的控制方法，其步骤如下：

首先，在MIM波导2中引入第一短腔3，调节并确定第一短腔3与MIM波导2之间的耦合距离；

其次，在第一短腔3的正上方增加第二短腔4，第一短腔3与第二短腔4自下而上垂直间隔排列，构成双腔系统；

然后，分别仿真出表面等离子体激元单腔和双腔时的透射情况，并绘制在一个图像中，双腔透射峰出现在单腔透射峰附近的左右两侧，双腔的透射率低于单腔的透射率，形成PIA窗口；

最后，在双腔系统中第二短腔4的正上方再增加第三短腔5，构成三腔耦合，然后通过时域有限差分方法仿真得到双腔和三腔耦合的光谱图；三腔耦合时的波峰与双腔耦合时的波谷相对应，三腔耦合时的波谷与双腔耦合时的波峰相对应，由此，通过控制第三短腔5的有无，实现光开关功能。

一种基于双短腔耦合系统PIA效应的开关的应用，该开关应用于光开关或滤波器。

本发明通过短腔腔模之间的相互干涉，实现表面等离激元诱导吸收（PIA）效应。光谱图中两个透射峰的透射率都比较高，均可达到63.8%，减小腔长PIA窗口会产生红移，增大折射率会产生蓝移；对相位响应特性仿真分析发现PIA窗口会出现明显的反常色散现象，该反常散射效应可应用于实现快光效应。本发明设计的双短腔耦合系统PIA效应的开关结构，在产生PIA结构的基础上，再增加一个第三短腔，经过短腔之间的相互干涉，可以出现双PIA窗口，并且通过控制第三短腔的有无，发现两种状态的光谱图是截然相反的，明显符合光开关的特性。本发明所设计的双腔耦合系统不需要外界能量激励泵浦，完全是全光控制行为，不仅具有高透射率，工作波段可调等优点，而且结构设计简单，易于调控，在快光、光开关、滤波器等全光信号处理和全光器件设计方面具有相当重要的理论价值和非常深远的实际意义。

附图说明

图1为双腔耦合波导的结构示意图；

图2为本发明三腔耦合波导的结构示意图；

图3为本发明产生PIA效应的透射光谱图；

图4为本发明产生光开关现象的光谱图。

图中：1.背景，2.波导，3.第一短腔，4.第二短腔，5.第三短腔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。参见图1和图2，一种基于双短腔耦合系统PIA效应的开关，包括背景1、波导2、第一短腔3和第二短腔4，所述背景1的下部对称设置有所述波导2，所述波导2之间自下而上垂直间隔排列有第一短腔3和第二短腔4，构成双腔系统；波导2间第一短腔3和第二短腔4相干耦合，在透射谱上会出现两个透射峰和一个PIA窗口；对PIA窗口的相位响应进行仿真，会出现反常色散；在双腔系统的第二短腔4正上方再增加第三短腔5，构成三腔系统；各短腔之间两两相互作用，在透射谱上会出现两个PIA窗口，称为双PIA系统，通过控制第三短腔5的有无，形成开关功能。

进一步，所述波导2为构成表面等离子体激元双腔耦合波导系统的金属-介质-金属（MIM），材料为SiO₂。

进一步，所述第一短腔3、第二短腔4和第三短腔5的材料均为熔融的SiO₂。

进一步，所述背景1的材料为金属Ag。

一种基于双短腔耦合系统PIA效应的开关的控制方法，其步骤如下：

首先，在MIM波导2中引入第一短腔3，调节并确定第一短腔3与MIM波导2之间的耦合距离；

其次，在第一短腔3的正上方增加第二短腔4，第一短腔3与第二短腔4自下而上垂直间隔排列，构成双腔系统；

然后，分别仿真出表面等离子体激元单腔和双腔时的透射情况，并绘制在一个图像中，双腔透射峰出现在单腔透射峰附近的左右两侧，双腔的透射率低于单腔的透射率，形成PIA窗口；

最后，在双腔系统中第二短腔4的正上方再增加第三短腔5，构成三腔耦合，然后通过时域有限差分方法仿真得到双腔和三腔耦合的光谱图；三腔耦合时的波峰与双腔耦合时的波谷相对应，三腔耦合时的波谷与双腔耦合时的波峰相对应，由此，通过控制第三短腔5的有无，实现光开关功能。

本发明双短腔耦合系统PIA效应中的金属-介质界面由背景1与波导2构成，且在波导2上下两侧形成了两个金属-介质界面。利用波导2两侧上下两短腔（即：第一短腔3和第二短腔4）的相干耦合，在一定频率范围内通过调整第一短腔3与波导2、第一短腔3与第二短腔4之间的距离，使得两个腔相互干涉，来调节透射峰的位置及透射率的大小。选出在单腔透射峰附近出现两个分离并且挨得很近的透射峰。在波长为700～1100 nm透射谱上会出现两个透射峰，只有两个腔时，会出现一个PIA窗口；通过对其相位响应仿真，在PIA窗口会出现反常色散；通过在波导2间第二短腔4的正上方再增加一个第三短腔5，构成三腔系统（如图2所示）。短腔之间两两相互作用，在透射谱上会出现两个PIA窗口，故也称为双PIA系统，通过控制第三短腔5的有无，会出现开关的特性。

本发明控制方法如下：

首先，在MIM波导2中引入第一短腔3，调节短腔第一短腔3与MIM波导2之间的耦合距离，当耦合距离w=15nm时，表面等离子体激元单腔和双腔均具有较大的透射率。

其次，再在第一短腔3的正上方增加第二短腔4，第一短腔3与第二短腔4自下而上垂直间隔排列，构成双腔系统。

然后，分别仿真出表面等离子体激元单腔和双腔时的透射情况，并绘制在一个图像中，可以发现双腔透射峰出现在单腔透射峰附近的左右两侧，双腔的透射率低于单腔的透射率，如图3所示（图中，虚线表示单腔时的透射情况，实线表示双腔时的透射情况）。单腔透射峰的位置在857 nm处，双腔两个透射峰分别在825nm和894nm，点A、B、C分别表示双腔透射峰的波峰和波谷。在845nm处的B点，双腔的透射率为0，从而形成了一个完美的PIA窗口。其中，单腔透射率可达75%，双腔两个峰的透射率均高达64%。

最后，在双腔系统中第二短腔4的正上方再增加一个第三短腔5，然后通过时域有限差分（FDTD）方法仿真得到双、三腔耦合的光谱图，如图4所示（图中，虚线表示单腔时的透射情况，实线表示双腔时的透射情况）。A-E点分别表示三腔时透射峰的波峰和波谷，观察可发现图4中的B、C、D点大致对应于图3中的A、B、C点，即三腔耦合时对应的波峰、波谷的地方对应于双腔耦合时波谷、波峰的地方，二者恰好相反，刚好符合开关的特性。由此，通过控制第三短腔5的有无，便可以设计光开关。

Claims (6)

1.一种基于双短腔耦合系统PIA效应的开关，包括背景1、波导2、第一短腔3和第二短腔4，其特征在于，所述背景1的下部对称设置有所述波导2，所述波导2之间自下而上垂直间隔排列有第一短腔3和第二短腔4，构成双腔系统；波导2间第一短腔3和第二短腔4相干耦合，在透射谱上会出现两个透射峰和一个PIA窗口；对PIA窗口的相位响应进行仿真，会出现反常色散；在双腔系统的第二短腔4正上方再增加第三短腔5，构成三腔系统；各短腔之间两两相互作用，在透射谱上会出现两个PIA窗口，称为双PIA系统，通过控制第三短腔5的有无，形成开关功能。

2.根据权利要求1所述的基于双短腔耦合系统PIA效应的开关，其特征在于，所述波导2为构成表面等离子体激元双腔耦合波导系统的金属-介质-金属（MIM），材料为SiO₂。

3.根据权利要求1所述的基于双短腔耦合系统PIA效应的开关，其特征在于，所述第一短腔3、第二短腔4和第三短腔5的材料均为熔融的SiO₂。

4.根据权利要求1所述的基于双短腔耦合系统PIA效应的开关，其特征在于，所述背景1的材料为金属Ag。

5.一种如权利要求1所述的基于双短腔耦合系统PIA效应的开关的控制方法，其特征在于，其步骤如下：

首先，在MIM波导2中引入第一短腔3，调节并确定第一短腔3与MIM波导2之间的耦合距离；

其次，在第一短腔3的正上方增加第二短腔4，第一短腔3与第二短腔4自下而上垂直间隔排列，构成双腔系统；

然后，分别仿真出表面等离子体激元单腔和双腔时的透射情况，并绘制在一个图像中，双腔透射峰出现在单腔透射峰附近的左右两侧，双腔的透射率低于单腔的透射率，形成PIA窗口；

最后，在双腔系统中第二短腔4的正上方再增加第三短腔5，构成三腔耦合，然后通过时域有限差分方法仿真得到双腔和三腔耦合的光谱图；三腔耦合时的波峰与双腔耦合时的波谷相对应，三腔耦合时的波谷与双腔耦合时的波峰相对应，由此，通过控制第三短腔5的有无，实现光开关功能。

6.一种如权利要求书1所述的基于双短腔耦合系统PIA效应的开关的应用，其特征在于，该开关应用于光开关或滤波器。