CN108802900A - 一种基于全介质的纳米线光学波导 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于全介质的纳米线光学波导，包括介质包层和两个完全相同的介质纳米线，两条纳米线对称地嵌入到包层中，且它们之间存在一个纳米量级的间隙。与传统的介质波导(导光机理是全内反射)不同，本发明的全介质纳米线波导的导光机理是电磁场的正交边界条件。因此，全介质纳米线波导可以将光局域在纳米量级的间隙中传播，从而实现了与表面等离子体波导同等程度的深亚波长的模式局域性。全介质纳米线波导不包含金属成分，损耗极低，可以实现与传统介质波导同等量级的超长距离的传输。全介质纳米线波导可以同时获得深亚波长的模式局域性和超长距离的传输，这在本质上实现了突破，大大推动了集成光学的发展。
Description
技术领域
本发明属于光纤技术领域，尤其涉及一种基于全介质的纳米线光学波导。
背景技术
在微纳光学领域，在亚波长量级控制和操纵光场是一件十分重要的事情。将光束缚在亚波长量级具有非常广泛的应用，例如可用于光学集成电路、偏振控制器、光学转换和光学传感、电光调制器等等。
表面等离子体是在金属和介质的交界面处传播的一种表面电磁波，它具有两个明显的特征：一是表面等离子体在传播方向上具有比光波更短的波长；二是表面等离子体在与传播方向垂直的方向上是倏逝场。利用表面等离子体可以实现在亚波长量级对光的控制和操纵，从而使得可以突破衍射极限的亚波长的光学波导器件成为可能。但是，由于基于表面等离子体的波导结构中含有金属成分，受欧姆损耗的影响，基于表面等离子体的微纳光学波导的损耗比较大，这对于提高集成光路的稳定性是极其不利的。
传统的介质波导，由于不含有金属成分，损耗比较低。但是，传统的介质波导一般都是基于全内反射原理来实现光的有效传输的，这就不可避免地会受到光的衍射极限的影响，使得器件的尺寸不能够做到很小，这对于提高集成光路的集成度是极其不利的。
发明内容
为了解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出了一种基于全介质的纳米线光学波导，旨在解决现有技术中，不可以在一个波导结构中同时实现亚波长的模式局域性和超长距离传输的问题。
本发明提出的一种基于全介质的纳米线光学波导，包括介质包层和两个完全相同的介质纳米线，两个介质纳米线对称地嵌入到介质包层中，且两个介质纳米线之间存在一个纳米量级的间隙。
在上述技术方案中，通过控制介质纳米线的尺寸以及两个介质纳米线之间间隙的大小，可以有效地控制电磁场的分布。
优选地，所述介质包层可以为SiO2、BK7、BAK1、FK51A等低折射率材料中的任意一种，材料选择灵活。
优选地，所述介质纳米线可以为Si、GaP、GaAs、InP等高折射率材料中的任意一种，材料选择灵活。
优选地，所述纳米线横截面的形状不仅限于圆形，还可以为其他任意形状，如矩形、方形、楔形等。
优选地，电磁场可以被有效地局域在两个介质纳米线之间的间隙处，模式局域性好,易于实现器件的小型化，利于提高集成光路的集成度。
优选地，介质材料的损耗极低，可以实现超长距离的传输，利于提高集成光路的可靠性和稳定性。
优选地，全介质纳米线光学波导是基于电磁场的正交边界条件来实现光的有效传输的，因此，全介质纳米线光学波导可以同时实现深亚波长的模式局域性和超长距离的传播。
本发明与现有技术相比的优点在于：
传统的介质波导的导光机理是光的全内反射。与传统的介质波导不同，本发明的基于全介质的纳米线光学波导的导光机理是电磁场的正交边界条件。因此，本发明的基于全介质的纳米线光学波导可以不受光的衍射极限的影响，从而可以将光局限在深亚波长量级，实现与表面等离子体波导同等程度的模式局域性。本发明的基于全介质的纳米线光学波导由于不含有金属成分，损耗极低，可以实现与传统介质波导同等数量级的超长距离的传输。因此，本发明的基于全介质的纳米线光学波导可以同时实现深亚波长的模式局域性和超长距离的传播。
附图说明
图1为全介质纳米线光学波导的结构示意图；
图2为全介质纳米线光学波导的模式分布图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明提出的一种基于全介质的纳米线光学波导，包括介质包层1和两个完全相同的介质纳米线2。介质包层的材料可以为SiO2、BK7、BAK1、FK51A等低折射率材料中的任意一种，介质纳米线的材料可以为Si、GaP、GaAs、InP等高折射率材料中的任意一种，且介质纳米线横截面的形状不仅局限于圆形，还可以为其他任意形状，如矩形、方形、楔形等。
其中，通过控制介质纳米线的尺寸以及两个介质纳米线之间间隙的大小，可以有效地控制电磁场的分布。所述介质包层可以为SiO2、BK7、BAK1、FK51A等低折射率材料中的任意一种。所述介质纳米线可以为Si、GaP、GaAs、InP等高折射率材料中的任意一种。所述纳米线横截面的形状不仅限于圆形，还可以为其他任意形状，如矩形、方形、楔形等。电磁场可以被有效地局域在两个介质纳米线之间的间隙处，模式局域性好,易于实现器件的小型化，利于提高集成光路的集成度。介质材料的损耗极低，可以实现超长距离的传输，利于提高集成光路的可靠性和稳定性。全介质纳米线光学波导是基于电磁场的正交边界条件来实现光的有效传输的，因此，全介质纳米线光学波导可以同时实现深亚波长的模式局域性和超长距离的传播。
实施例1
在实施例1中，全介质纳米线光学波导采用以下步骤制成：
S1：确定介质包层的材料，选用该材料的一部分作为基底，在基底上匀一层PMMA胶；
S2：确定介质纳米线的形状，然后按照介质纳米线的形状对PMMA胶层进行曝光；
S3：确定介质纳米线的材料和尺寸，按照介质纳米线的尺寸用介质纳米线的材料对曝光的PMMA胶层进行镀膜；
S4：用丙酮将PMMA胶层剥离；
S5：在以上所得的结构上镀上一层介质包层材料，以和基底结合形成包层。
实施例2
在实施例2中，全介质纳米线光学波导采用以下步骤制成：
S1：利用气相沉积法制作具有所需折射率的预制棒，气相沉积法可以为外气相沉积法、化学气相沉积法、气相轴向沉积法中的任意一种；
S2：利用精密进给装置，以合适的速度把预制棒推入到高温炉中拉制成光纤；
为了使介质纳米线的尺寸以及折射率均匀分布，预制棒的制作和光纤的拉制过程采用了一些比较复杂的技术，可以参见U.C.Paek,“High-speed High-Strength FiberDrawing”,J .Lightwave Technol.4,1048(1986)和B.J.Ainslie,“A Review of theFabrication and Properties of Erbium-Doped Fibers for Optical Amplifiers”,J.Lightwave Technol.9,220(1991)。
S3：确定介质包层的材料，选用该材料的一部分作为基底，把制作好的介质纳米线放置在基底上，控制好两个介质纳米线之间的间隙；
S4：用溅射镀膜或旋涂的方法对S1-S3中所得到的结构镀上或旋涂上一层介质包层材料，以和基底结合形成包层。
实施例3
在实施例3中，结合实施例2，一种具体的横截面为圆形的全介质纳米线波导采用以下步骤制成：
S1：选用Si材料作为介质纳米线的材料，利用气相沉积法制作出Si预制棒；
S2：利用精密进给装置，以合适的速度把Si预制棒推入到高温炉中拉制成光纤，光纤的直径控制在225纳米；
S3：选用SiO2作为介质包层，把S2中制作好的Si纳米线放置在SiO2基底上，控制两个Si纳米线之间的间隙为2纳米；
S4：用溅射镀膜或旋涂的方法对S1-S3中所得到的结构镀上或旋涂上一层SiO2，以和SiO2基底结合形成SiO2包层。
在实施例3中，用Si作为介质纳米线的材料，SiO2作为介质包层，当Si纳米线的横截面为圆形、纳米线的直径为225纳米、两个Si纳米线之间的间隙距离为2纳米时，全介质纳米线波导的归一化模式面积为1.4×10-2，理论计算的传播长度为无限长。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (7)
1.一种基于全介质的纳米线光学波导，其特征在于，包括介质包层(1)和两个完全相同的介质纳米线(2)，两个介质纳米线(2)对称地嵌入到介质包层(1)中，且两个介质纳米线(2)之间存在一个纳米量级的间隙(3)。
2.根据权利要求1所述的基于全介质的纳米线光学波导，其特征在于，所述包层(1)的材料可以为SiO2、BK7、BAK1、FK51A低折射率材料中的任意一种，材料选择灵活。
3.根据权利要求1所述的基于全介质的纳米线光学波导，其特征在于，所述纳米线(2)的材料可以为Si、GaP、GaAs、InP高折射率材料中的任意一种，材料选择灵活。
4.根据权利要求1所述的基于全介质的纳米线光学波导，其特征在于，所述纳米线(2)的横截面的形状不仅限于圆形，还可以为其他任意形状，如矩形、方形、楔形等。
5.根据权利要求1所述的基于全介质的纳米线光学波导，其特征在于，电磁场可以被有效地局域在两个介质纳米线之间的间隙(3)处，模式局域性好。
6.根据权利要求1所述的基于全介质的纳米线光学波导，其特征在于，所选的介质材料的损耗极低，可以实现超长距离的传输。
7.根据权利要求1所述的基于全介质的纳米线光学波导，其特征在于，全介质纳米线光学波导的导光机理是电磁场的正交边界条件，从而可以同时实现深亚波长的模式局域性和超长距离的传播。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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