CN109212664B - 一种基于等离激元的双边耦合谐振腔t形波分复用器 - Google Patents

一种基于等离激元的双边耦合谐振腔t形波分复用器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于等离激元的双边耦合谐振腔T形波分复用器,与单边耦合的结构相比较,新结构由于对称谐振腔的相互耦合,透射波振幅得到了加强,因此系统的透射特性得到了一定的提升。本发明对透射特性的分析采用模式耦合理论,并且用有限元法(FEM)进行数值仿真;可知,本发明结构的各信道共振波长可通过改变结构的几何参数来调节,同时对谐振腔的折射率有着较强的响应。两个端口处的透射峰波长分别为1310nm和1550nm,透射率分别达到了67%和70%。

Description

一种基于等离激元的双边耦合谐振腔T形波分复用器
技术领域
本发明涉及一种T形波分复用器,尤其是一种基于等离激元的T形波分复用器,属于电磁场与光波导领域。
背景技术
表面等离激元是一种沿金属和介质界面传播的电磁震荡波,并且在垂直界面的两个方向上以指数形式衰减,由于其能够打破传统光学的衍射极限,可通过表面等离激元与光场之间的相互作用实现在亚波长尺度对光进行调控,从而实现光电器件的超小化。在过去几年,大量的基于表面等离激元的金属-介质-金属(MIM)结构被提出,例如等离激元滤波器,马赫-曾德尔干涉仪,分光器,感应器,全光开关,调制器等。随着纳米制造技术的发展,这些结构在未来有望应用于光通信和集成光子光路中。
波长选择和波分复用是光通信中的关键技术,而滤波器则是其中最重要的器件之一。基于MIM波导的等离激元滤波器已被研究多年,其中有等离激元光栅,环形谐振腔,盘形谐振腔,矩形谐振腔,和齿状波导滤波器。所有这些结构都可工作为带通或带阻滤波器。在实际应用中,波分复用在光通信的信号处理中有着举足轻重的作用。而纵观最近几年,研究人员已经采用不同的方法来实现不同信道的波长选择,例如通过设计不同的谐振腔和槽来分离特定的波长,有边耦合反射腔,多通道纳米盘腔,槽形谐振腔,双纳米盘谐振腔。以上结构都实现了在不同通道的波长选择,但几乎所有以上的结构都是通过调节谐振腔的几何结构来改变共振波长。
发明内容
本本发明设计的T形波分复用结构,相比之前的结构要有更高的透射率和更低的插入损耗,并且结构简单,只需调节谐振腔的半径和折射率即可改变共振波长,相比单边耦合,通过增加对称盘形谐振腔的方式能显著的提高透射率。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:一种基于等离激元的双边耦合谐振腔T形波分复用器,包括金属-介质-金属MIM波导、以及在MIM波导内的两对盘形谐振腔;其中,MIM波导为三层平板结构,第一层和第三层为金属层,二者之间为介质层,所述的介质层呈T形,介质层内填充电介质,形成波导,包括横向的第一波导和竖向的第二波导,第一波导的两端为输出端口,分别为端口1和端口2;所述第二波导竖直贯穿第三层,第二波导的下端为输入端口;所述第一层和第三层通过两个连接部垂直相连,且两个连接部设置在第二波导两侧;每对盘形谐振腔关于第一波导上下对称设置,每个所述盘形谐振腔谐振腔内填充有电介质。
进一步的,所述MIM波导的第一层和第三层采用银或金等金属。
进一步的,所述的第一波导和第二波导的宽度w为50nm。
进一步的,所述连接部的宽度g为25-45nm。
进一步的,每对盘形谐振腔按左右区分为纳米盘A和纳米盘B,所述盘形谐振腔与第一波导之间的距离d为12-32nm;纳米盘A竖直中心线与第二波导的竖直中心线之间的距离L1为500-600nm,纳米盘B竖直中心线与第二波导的竖直中心线之间的距离L2为500-600nm,纳米盘A为左谐振腔,半径为R1;纳米盘B为右谐振腔,半径为R2
进一步的,所述第一波导,第二波导和盘形谐振腔中的电介质相同,所述的电介质为空气。
有益效果:本发明设计并分析了一个1×2路具有对称双边耦合谐振腔的T形波分复用器;左右两对盘形谐振腔相对于第一波导均垂直对称,因为关于波导对称的纳米盘结构有着相同的结构参数,所以它们的共振模式频率ω0也完全相同;透射波经过上下两个对称谐振腔的耦合,振幅得到了加强,导致输出端口处的透射率增强。
本发明的输出端口的透射峰波长还可以通过改变结构的几何参数和谐振腔中的折射率来调制;本发明所提出的波分复用器透射率高、插入损耗低、可选波段覆盖现代通信波长范围并易于加工。
附图说明
图1(a)具有单边耦合谐振腔的T形波分复用器的结构图;
图1(b)具有单边耦合谐振腔的T形波分复用器在两个端口处的透射谱;
图2(a)具有对称双边耦合谐振腔的T形波分复用器的结构图;
图2(b)具有对称双边耦合谐振腔的T形波分复用器在两个端口处的透射谱;
图3结构在共振波长(a)λ1=1310nm和(b)λ2=1550nm下的磁场模|Hz|分布图;
图4(a)为透射光谱与连接部宽度g之间的关系图;
图4(b)为透射光谱与连接部宽度g之间的另一种关系图;
图5(a)为透射光谱与距离d之间的关系图;
图5(b)为透射光谱与距离d之间的另一种关系图;
图6(a)为端口2处的透射率随右谐振腔半径R2的变化关系;
图6(b)端口1处的透射率随右谐振腔半径R2的变化关系;
图7透射峰波长与半径R2的关系图;
图8(a)为端口2处的透射率随右谐振腔折射率的变化关系;
图8(b)为端口1处的透射率随右谐振腔折射率的变化关系;
图9透射峰波长与右谐振腔折射率的关系图;
图10(a)为波长为1310nm时,IL和ER与纳米盘B的半径R2之间的关系图;
图10(b)为波长为1550nm时,IL和ER与纳米盘B的半径R2之间的关系图;
图11(a)为波长为1310nm时,IL和ER与右谐振腔折射率之间的关系图;
图11(b)为波长为1550nm时,IL和ER与右谐振腔折射率之间的关系图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
Ag的介电常数可通过德鲁特模型表示:
Figure BDA0001846942950000041
其中ε代表无穷大频率处的介电常数,值为3.7。ωp=9.1eV,为等离子体频率。γ=0.018eV,为电子振荡衰减频率。当入射光在输入波导传播时,一部分能量被反射,一部分被耦合到纳米盘谐振腔中。一旦达到共振条件,在纳米盘中就会形成稳定的驻波。共振条件由下式得到:
Figure BDA0001846942950000051
其中,kd,m=k(εd,m)1/2是纳米盘/金属中的波矢,r是纳米盘的半径。εd和εm分别代表介质和金属的相对介电常数,可由德鲁特模型得到。k代表波数并且有一个很小的虚部,虚部代表损耗。
Figure BDA0001846942950000052
Figure BDA0001846942950000053
是n阶汉克尔函数,Jn和J′n是n阶贝塞尔函数。
由共振条件可看出,共振波长λ0由半径和折射率决定。利用耦合模式理论,可得到此结构的透射率:
Figure BDA0001846942950000054
其中,ω是入射光的频率,ω0是共振频率,1/τi是谐振腔内损耗的衰减率,1/τω是能量逸出波导的衰减率。当ω=ω0时,透射率达到最大,Tmax=(1/τω)2/(1/τω+1/τi)2。如果系统的损耗可忽略不计(1/τi<<1/τω),透射峰值可接近于1。
当TM波从输入端口入射时,波导内的等离激元被激发。结构的透射率由如下公式定义:T1=Pout1/Pin,T2=Pout2/Pin,Pin代表总入射功率,Pout1代表端口1的透射功率,Pout2代表端口2的透射功率。
实施例一
如图1(a)所示,为具有单边耦合谐振腔的波分复用器的2D结构,在该结构中,波导和左右两个谐振腔填充的介质都为空气,折射率n=1,金属层为银,纳米盘A半径R1为337nm,纳米盘B半径R2为413nm,第一波导和谐振腔之间的距离d为12nm,第一波导间连接部宽度g为30nm,波导宽w为50nm,L1=570nm,L2=520nm,当TM波从输入端口入射后,由如图1(b)可知,端口1和端口2的透射率分别为57%和61%,横轴为入射波长,纵轴为两个端口处的透射率。
如图1(b)所示,当波长在1310nm和1550nm附近时,左右两个盘形谐振腔达到各自的共振波长,此时,端口1和端口2处的透射波透射率达到最大,而其它波段几乎没有光透射出去。因此,此结构可用作波分复用。为了进一步提高端口处的透射率,在实施例二中采用了对称双边耦合谐振腔的结构。
实施例二
如图2(a)所示,为改进的1×2路波分复用器。此结构的相关参数(R1,R2,w,d,g,n,L1,L2)都与图1中的相同。左右两对纳米盘相对于波导都垂直对称,因为关于波导对称的纳米盘结构有着相同的结构参数,所以它们的共振模式频率ω0也完全相同。输出波导处的透射波经过上下两个对称谐振腔的耦合,振幅得到了加强,导致输出端口处的透射率增强。
如图2(b)所示,在1310nm和1550nm两个共振波长下,对称双边耦合谐振腔的结构透射率分别能达到67%和70%,相比较单边耦合下的结构,透射率分别提高了17%和15%左右。
如图3(a)所示,为共振波长在1310nm下的磁场模|Hz|分布图,图3(b)为共振波长在1550nm下的磁场模|Hz|分布图。从图中可看出,端口1处只能通过λ1=1310nm的波长,而端口2只能通过λ2=1550nm的波长,从而实现了波分复用的功能。
实施例三
当本实施例结构的相关参数:w=50nm,d=12nm,R1=337nm,R2=413nm,n=1时,且入射波长在1310nm和1550nm附近,从图4(a)可看出,当g从25nm增加到45nm时,透射峰几乎没有发生改变,所以当g>25nm时,输入与输出波导的耦合可忽略不计;相反,如图4(b)所示,当g<25nm时,输入与输出波导将会发生直接耦合,同时系统的噪声也会增加。
实施例结构的相关参数为:w=50nm,g=30nm,R1=337nm,R2=413nm,n=1时,如图5(a)所示,将d从12nm增加到32nm,透射峰显著的减小了,随着d增加透射率随之减小;相反,图5(b)所示,d<12nm时,谐振腔的共振选频作用变弱,而且FWHM和系统噪声也会变大。
实施例四
谐振腔半径R2、R1的改变会影响到谐振波长,并且当谐振腔的半径R2、R1、发生改变时,端口1和端口2处的透射率也会受到影响;本实施例结构的相关参数:d=12nm,g=30nm,w=50nm,L1=570nm,L2=520nm时,我们将纳米盘A半径设置为337nm,改变纳米盘B的半径。从图6(a)中可看出,端口2的透射率随谐振腔半径R2增加而红移。同时,如图6(b)所示,因为R1保持不变,端口1的透射率几乎不变。
如图7所示,端口2处的共振波长和右谐振腔半径R2之间呈线性关系,而端口1处的共振波长则保持不变;说明,R2的变化对左谐振腔没有影响。
实施例五
本实施例结构的相关参数:R1=R2=337nm,d=12nm,g=30nm,w=50nm,L1=L2=570nm,将R1和R2都设置为337nm,同时改变填充在右谐振腔的折射率,从1.0增加到1.12,通过观察端口1和端口2的透射光谱,来分析折射率对系统的影响。从图8(a)和8(b)可看出,随着填充在R2谐振腔折射率的增大,端口2的透射峰发生了红移,同时端口1的透射峰保持不变。上述红移现象可简单的通过驻波条件来解释,λ=Lneff/N,N是纳米腔中的模数,当R2谐振腔的折射率增大时,端口2处的共振波长将向长波移动,所以端口2处的中心波长展现了红移的特性。
如图9所示,端口2处的透射峰波长与谐振腔内介质折射率呈线性关系,这些结果与共振模式理论中提到的一致。实际上,端口1的透射峰波长可以通过改变半径R1或左谐振腔中介质折射率来调节,原理同上。
实施例六
对于波分复用器来说,插入损耗(IL)和信道隔离度(ER)是最重要的两个性能指标,这两个参数分别由下式定义:
Figure BDA0001846942950000081
Figure BDA0001846942950000082
其中,Pi代表输入端口的光功率,Pw代表期望从输出端口接收到的光功率,Puw为输入光信号串扰到其他信道的光功率。对于1550nm波长,Pw和Puw分别是端口2和端口1处的输出光功率。根据上述方程可得到此波长下的插入损耗和隔离度:IL=1.5dB,ER=54.7dB;对于1310nm波长,Pw和Puw分别是端口1和端口2处的输出光功率;相应的插入损耗和隔离度分别为:IL=1.8dB,ER=22.1dB。
本实施例结构的相关参数:R1=337nm,d=12nm,g=30nm,w=50nm,R2谐振腔填充的是空气;波分复用器在波长为1310nm和1550nm时,半径R2的变化对IL和ER有着不同的影响。由图10(a)可看出,当波长为1310nm时,IL基本稳定在1.7dB,而R2每改变5nm时,ER大约增加0.5dB;如图10(b)所示,当波长为1550nm时,IL一开始在减小,R2为415nm左右时达到最小,为2.2dB,随后则一直在增大;ER与IL相反,R2为410nm时达到最大,为57.5dB。
本实施例结构的相关参数:R1=337nm,R2=413nm,d=12nm,g=30nm,w=50nm;波分复用器在波长为1310nm和1550nm时,右谐振腔的折射率对IL和ER有着不同的影响情况。如图11(a)所示;当波长为1310nm时,IL稳定在1.8dB,ER随折射率增大而增大;如图11(b)所示,波长为1550nm时,IL随折射率增大而增大,而ER随折射率增大而减小。
由图10和图11可得出,R2的改变对端口1的透射波影响较小,而对端口2则影响较大,而R2=413nm左右时,系统的性能达到最优,而此时谐振腔R2对应的共振波长正好是1550nm,因此可根据IL和ER确定此时系统的共振波长。同理折射率对波分复用器的影响。
本发明对透射特性的分析采用模式耦合理论,并且用有限元法(FEM)进行数值仿真。从仿真结果可看出,此结构的各信道共振波长可通过改变结构的几何参数来调节,同时对谐振腔的折射率有着较强的响应;与单边耦合的结构相比较,新结构由于对称谐振腔的相互耦合,透射波振幅得到了加强,因此系统的透射特性得到了提升,本发明所提出的波分复用器透射率高、插入损耗低、可选波段覆盖现代通信波长范围并易于加工。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于等离激元的双边耦合谐振腔T形波分复用器,其特征在于,包括金属-介质-金属MIM波导、以及在MIM 波导内的两对盘形谐振腔;其中,MIM 波导为三层平板结构,第一层和第三层为金属层,二者之间为介质层,所述的介质层呈T形,介质层内填充电介质,形成波导,包括横向的第一波导和竖向的第二波导,所述第二波导竖直贯穿第三层;所述第一层和第三层通过两个连接部垂直相连,且两个连接部设置在第二波导两侧;每对盘形谐振腔关于第一波导上下对称设置,每个所述盘形谐振腔内填充有电介质,所述MIM波导的第一层和第三层采用银或金,所述连接部的宽度g为25~45nm,每对盘形谐振腔分别为纳米盘A和纳米盘B,所述盘形谐振腔与第一波导之间的距离d为12~32nm;纳米盘A和纳米盘B的竖直中心线分别与第二波导的竖直中心线之间的距离L为500~600nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于等离激元的双边耦合谐振腔T形波分复用器,其特征在于,所述的第一波导和第二波导的宽度w为50nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于等离激元的双边耦合谐振腔T形波分复用器,其特征在于,所述第一波导,第二波导和盘形谐振腔中的电介质相同,所述的电介质为空气。
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