CN108963739B - 基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器，包括顶层贴片天线、金属传输线、超材料天线介质层、激光器谐振腔的包层、硅衬底、基于“半导体‑绝缘体‑金属”条载三明治结构的深度亚波长等离激元波导（简称SIMS波导）和金属裂环谐振器阵列。本发明采用超材料天线作为调制器实现了在亚波长尺度下利用微波对等离激元激光器波长高效调制，采用双环结构的谐振腔实现了对激光器输出波长的调谐。该激光器结构紧凑，制作工艺简单，输出光可调控性强，构建了集微波信号吸收、光波调制为一体的新型超材料光电器件，为未来高性能微波光子器件的小型化、集成化提供全新的技术原理和实现途径。

Description

基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，具体涉及一种可以高速高效率便捷地改变出射波长的激光器。

背景技术

微波光子技术是一种利用光信号代替传统微波信号实现信息传输及处理的新技术，具有超宽带、低损耗、重量轻、快速可重构及抗电磁干扰能力强等优点，在雷达、电子对抗等武器装备系统具有广泛应用，可有效提升其瞬时工作带宽及信号处理能力，被认为是解决目前雷达、电子对抗等系统技术瓶颈问题的最有效手段。

通常，微波光子技术系统由分立的微波天线、传输线、电光调制器、光电探测器等器件组成。在微波光子器件的集成化方面，目前仍存在以下瓶颈问题：一是由于传统微波波导、微波天线等传输线在尺度上远大于光子器件，难以实现两者的高度集成化和小型化；二是传统光波导器件受光学衍射极限的限制，在尺度上依然处于微米量级，对光的束缚能力弱，使得波导中光强密度低，在实现诸如微波信号光调制时，电光相互作用弱，需要较长的相互作用区，导致器件功耗大、体积大；三是光波导材料与微波介质材料体系不同，工艺兼容性差，且光波导材料的引入会给微波器件带来寄生参数，从而恶化器件性能。这些瓶颈问题导致当前微波光子器件均具有体积大、功耗高、成本高、稳定性低及可靠性低等一系列缺点。这些不足严重阻碍了微波光子技术的发展及实用化，也远无法满足高性能、阵列化雷达及新一代通信系统等军事应用领域对微波光子技术的需求与期望。因此，迫切需要发展具备新机制、新功能、高性能、低成本的集成化微波光子器件，以解决微波光子技术的发展瓶颈问题，并最终达到推动对现有武器装备革命与颠覆的目标。

超材料是一类由亚波长结构单元作为基本单元构成的具有自然材料不具备的超材料物理特性的人工复合结构或材料，是近年来电磁领域的前沿。微波波段超材料具有负介电常数和负磁导率，电场矢量、磁场矢量以及波矢之间不再遵循经典电磁学基础的“右手定则”，而呈现出与之相反的“负折射率关系”，颠覆了传统的电磁世界，在许多方面表现出有违常理的行为，例如负折射、完美吸收、隐身斗篷等。光波波段超材料是以贵金属为代表的具有表面等离激元效应的纳米结构，对光具有强局域作用，能突破传统光学衍射极限，实现光的亚波长传输。由于微波和光波超材料颠覆传统电磁理论的性质，在光子集成电路等领域得到了前所未有的关注和广泛的研究。

南京东南大学的张彤教授，在《光电子物理及应用》一书的第172页，对SIMS波导有清晰的定义，SIMS波导是一种基于“半导体-绝缘体-金属”条载三明治结构的深度亚波长等离激元波导，波导从下到上分别包括半无限厚的金属薄膜衬底、金属条载、介质条载、硅条载。可将光严格束缚在数纳米范围内的狭缝内以极高的光强度密度长距离传输。

可调谐激光器是一种可以在一定范围内连续改变输出激光波长的激光器，其被广泛应用于光通信、信息处理、集成光学、光化学、半导体材料加工等领域。和其他传统的固定波长激光器相比，可调谐激光器调谐范围更宽,并且尺寸小、线宽窄、光学效率高，因此具有重要的应用前景。

但是，现阶段可调谐激光器多为机械式或调温式调频，这种调频方式调频时间过长，增加了通信系统的响应时间。因此,设计一种多波长同时输出，且具有快速调频功能的集成化的可调谐激光器是非常有意义的。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器，这种激光器实现了用微波信号对激光器的波长进行更加高速和高效率的调谐，解决了目前可调谐激光器调谐速率和器件小型化的问题，在超小型高密度等离激元器件和光子集成电路方面有着广泛的应用潜力。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器，包括顶层贴片天线、金属传输线、超材料天线介质层、激光器谐振腔的包层、硅衬底、SIMS波导和金属裂环谐振器阵列；其位置关系从上而下依次是顶层贴片天线、金属传输线、超材料天线介质层、激光器谐振腔的包层、SIMS波导、金属裂环谐振器阵列和硅衬底，其中，激光器谐振腔的包层设置在硅衬底上，激光器谐振腔的包层内部设有由下金属衬底层、金属条载、介质条载、Si条载组成的SIMS波导，所述超材料天线介质层上方设有顶层贴片天线，顶层贴片天线与金属传输线紧密接触，金属裂环谐振器阵列上方设有超材料天线介质层，下方设有硅衬底。

所述激光器谐振腔的包层内设有一种特殊的双环结构的SIMS波导，这种双环结构具体是指中间有个圆环，外侧设有U型环，双环结构的SIMS波导是起到谐振的作用，还有一根横的SIMS波导起光耦合输出作用。光从入口8输入，从出口9输出。

所述的双环结构的SIMS波导由下金属衬底层、金属条载、介质条载、Si条载组成的，被激光器谐振腔的包层包裹，带包层的激光器谐振腔固定在硅衬底上，所述的下金属衬底层，供选材料为金、银或铜材料，厚度为200纳米到5微米；所述的金属条载，供选材料与金属衬底层一致，厚度为100纳米到300纳米；所述的介质条载，供选材料为掺杂稀土元素如Er³⁺、Yb³⁺、Nd³⁺、Pr³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺的SiO₂材料，厚度为3纳米到10纳米；所述的Si条载，厚度为100纳米到300纳米；所述的金属条载、介质条载、Si条载的宽度都为50纳米到250纳米；激光器谐振腔外侧设有包层（4），所述包层材料为低介电常数的聚合物如聚四氟乙烯（PTFE）或聚三氟氯乙烯（PCTFE）。

本发明由顶层贴片天线层、超材料天线介质层和金属裂环谐振器阵列组成超材料天线。其中，所述的顶层贴片天线层，供选材料为金、银或铜材料，厚度为100纳米到10微米；所述的超材料天线介质层，供选材料为较高介电常数的材料如损耗性环氧树脂材料（FR4），厚度为10微米到300微米；所述的金属裂环谐振器阵列，供选材料为金、银或铜材料，结构为多个金属裂环谐振器组成的阵列，如圆形、方形、六边形或八边形的金属裂环谐振器，尺寸为10微米到5毫米。

本发明从原理上看，实现如下：该发明以双环结构的SIMS光波导构成激光器谐振腔的主要结构，以金属贴片天线层、介质层和金属裂环谐振器阵列组成超材料天线。当微波信号入射超材料天线时，通过设计特定尺寸、结构的超材料天线，使得超材料天线对该波段的电磁波产生高效率地响应，吸收的电磁波通过金属传输线传输。金属传输线中的电磁波与SIMS波导的金属衬底层（接地金属层）产生电场，中间的双环谐振腔的外环产生电光效应，波导的有效折射率发生改变，进而改变了光的相位，双环结构的环形谐振腔中的光经过多光束干涉，放大了相位信息，对谐振的光的频率做出了高灵敏度的调谐。超材料天线实现了天线的小型化，解决了微波光子器件的小型化、集成化困难的问题，同时，双环结构的激光器通过多光束干涉放大了相位信息，实现了对谐振光频率高灵敏度的调谐，解决了激光器高灵敏度和高速率调谐的问题。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出了一种基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器，该激光器的谐振腔基于一种新型的双环结构，谐振腔内携带相位信息的光信号经过多光束干涉，放大了相位信息，增加的外环目的是增加光通过的波导长度，而相位的变化量与波导的长度有关，这是一个累积的和，通过改变谐振腔外环的折射率实现了对输出光波长的高灵敏度的调谐。

2、本发明提出了一种基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器，该激光器基于超材料天线吸收电磁波实现对激光器输出波长进行调谐。利用超材料天线对微波信号的高速、高效率的吸收，使微波通过金属传输线。通过利用上层金属传输线与下层金属之间的电场对激光器谐振环实现电光调制。实现了高速度与高效率的调谐，同时，提出了一种新的利用微波信号对激光器输出波长进行调谐的方式，与一般的天线调谐激光器相比，超材料天线尺寸更小，调谐速率更高，更容易实现集成化。

附图说明

图1是该基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器的结构图的示意图。

图2是该基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器的结构图的主视图。

图3是该基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器的结构图的俯视图。

图4是该基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器在图3虚线10处截面的主视图。

图5是该基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器在图4虚线11处截面的俯视图。

图6是该基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器在图4虚线12处截面的俯视图。

图7是该基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器不同结构的超材料天线阵列单元。图7a是方形金属裂环谐振器，图7b是圆形金属裂环谐振器，图7c是八边形金属裂环谐振器，图7d是六边形金属裂环谐振器。

图中有：金属贴片天线层1、金属传输线2、超材料天线介质层3、激光器谐振腔的包层4、硅衬底5、SIMS波导6、金属裂环谐振器阵列7、光输入入口8、光输出出口9、下金属衬底层64、金属条载63、介质条载62、Si条载61。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述, 应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，该基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器，包括顶层贴片天线1、金属传输线2、超材料天线介质层3、激光器谐振腔的包层4、硅衬底5、SIMS波导6和金属裂环谐振器阵列7，其位置关系从上而下依次是顶层贴片天线1与金属传输线2，超材料天线介质层3与激光器谐振腔的包层4、SIMS波导6、金属裂环谐振器阵列7和硅衬底5，其中，顶层贴片天线1与金属传输线2紧密接触，在同一层，金属裂环谐振器阵列7在硅衬底5上，并与超材料天线介质层3底部紧密接触，硅衬底5和激光器谐振腔的包层4底部紧密接触，SIMS波导6被激光器谐振腔的包层4包覆。

该波长可调谐等离激元激光器谐振腔是一种特殊的双环结构的SIMS波导6构成的，这种双环结构具体是指中间有个圆环，外侧设有U型环，双环结构的SIMS波导是起到谐振的作用，还有一根横的SIMS波导起耦合输出作用，光从入口8处输入，从出口9处输出。

该双环结构的环形谐振腔是由下金属衬底层64、金属条载63、介质条载62、Si条载61组成的双环结构的SIMS光波导构成的。金属衬底层64，供选材料为金、银或铜材料，厚度为200纳米到5微米；金属条载63，供选材料与金属衬底层一致，厚度为100纳米到300纳米；介质条载62，供选材料为掺杂稀土元素如Er³⁺、Yb³⁺、Nd³⁺、Pr³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺的SiO₂材料，厚度为3纳米到10纳米；Si条载61，厚度为100纳米到300纳米；条载的宽度为50纳米到250纳米；激光器谐振腔的包层4，供选材料为低介电常数的聚合物材如PTFE、PCTFE。

超材料天线由顶层贴片天线层1、超材料天线介质层3和金属裂环谐振器阵列7组成。其中，顶层贴片天线层1，供选材料为金、银或铜材料，厚度为100纳米到10微米；所述超材料天线介质层3，供选材料为高介电常数的材料如FR4，厚度为10微米到300微米；金属裂环谐振器阵列7，供选材料为金、银或铜材料，结构为多个金属裂环谐振器组成的阵列，如圆形、方形、六边形或八边形的金属裂环谐振器，尺寸为10微米到5毫米。

实施例1：

设计如图1所示的激光器结构，金属裂环谐振器结构如图7d所示。顶层贴片天线1材料为金，尺寸为0.63毫米*0.45毫米，厚度为100纳米；金属传输线2材料为金，宽度为0.29毫米；超材料天线介质层3材料为FR4，厚度为200微米；激光器谐振腔4的包层材料为PTFE，厚度为200微米；硅衬底5厚度为100微米；SIMS波导的金属衬底层64材料为金，厚度为200纳米；金属条载63材料为金，厚度为200纳米；介质条载62，材料为掺杂Er³⁺的SiO₂材料，厚度为5纳米；Si条载61，厚度为200纳米；金属条载63、介质条载62、Si条载61的宽度都为100纳米，环形谐振腔的半径为500纳米；金属裂环谐振器阵列7材料为金，边长为200微米。

实施例2：

设计如图1所示的激光器结构，金属裂环谐振器结构如图7c所示。顶层贴片天线1材料为金，尺寸为63微米*45微米；金属传输线2材料为金，宽度为26微米；超材料天线介质层3材料为FR4，尺寸为160微米；激光器谐振腔包层4材料为PCTFE，尺寸为160微米；硅衬底5厚度为100微米；SIMS波导的金属衬底层64材料为金，厚度为200纳米；金属条载63材料为金，厚度为200纳米；介质条载62，材料为掺杂Er³⁺的SiO₂材料，厚度为5纳米；Si条载61，厚度为200纳米；金属条载63、介质条载62、Si条载61的宽度为100纳米，环形谐振腔的半径为500纳米；金属裂环谐振器阵列7材料为金，边长为15微米。

实施例1和实施例2是高调谐频率的高速调谐激光器，与一般的天线调谐激光器相比，利用双环结构的多光束干涉，调谐灵敏度更高，利用超材料天线实现对微波信号的吸收，调谐速度更高，效率更高，与其他基于天线的可调谐激光器相比，体积更小，更容易集成化。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所做的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器，其特征在于，包括顶层贴片天线（1）、金属传输线（2）、超材料天线介质层（3）、激光器谐振腔的包层（4）、硅衬底（5）、SIMS波导（6）和金属裂环谐振器阵列（7）；其位置关系从上而下依次是顶层贴片天线（1）、金属传输线（2）、超材料天线介质层（3）、激光器谐振腔的包层（4）、SIMS波导（6）、金属裂环谐振器阵列（7）和硅衬底（5），其中，激光器谐振腔的包层（4）设置在硅衬底上，激光器谐振腔的包层（4）内部设有SIMS波导（6），所述超材料天线介质层（3）上方设有顶层贴片天线（1），顶层贴片天线（1）与金属传输线（2）紧密接触，金属裂环谐振器阵列（7）上方设有超材料天线介质层（3），下方设有硅衬底（5）；所述激光器谐振腔的包层（4）内部的SIMS波导（6）由下金属衬底层（64）、金属条载（63）、介质条载（62）、Si条载（61）构成的，所述的金属衬底层（64），供选材料为金、银或铜材料，厚度为200纳米到5微米；所述的金属条载（63），供选材料与金属衬底层一致，厚度为100纳米到300纳米；所述的介质条载（62），供选材料为掺杂稀土元素如Er³⁺、Yb³⁺、Nd³⁺、Pr³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺的SiO₂材料，厚度为3纳米到10纳米；所述的Si条载（61），厚度为100纳米到300纳米；所述的金属条载（63）、介质条载（62）、Si条载（61）的宽度为50纳米到250纳米；激光器谐振腔的包层（4），供选材料为低介电常数的聚合物材料。

2.如权利要求1所述的基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器，其特征在于，所述激光器谐振腔的包层（4）内的谐振腔为一种双环结构的SIMS波导（6），所述双环结构具体是指中间有个圆环，外侧设有U型环，还有一根横的SIMS波导起光耦合输出作用，光从入口（8）输入，从出口（9）输出。

3.如权利要求1所述的基于超材料天线的波长可调谐双环结构等离激元激光器，其特征在于，由顶层贴片天线层（1）、超材料天线介质层（3）和金属裂环谐振器阵列（7）组成超材料天线，其中，所述的顶层贴片天线层（1），供选材料为金、银或铜材料，厚度为100纳米到10微米；所述的超材料天线介质层（3），供选材料为较高介电常数的材料，厚度为10微米到300微米；所述的金属裂环谐振器阵列（7），供选材料为金、银或铜材料，结构为多个金属裂环谐振器组成的阵列，形状为圆形、方形、六边形或八边形的金属裂环谐振器，尺寸为10微米到5毫米。

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