CN109254349B - 一种具有环形谐振腔的光谱调控器件 - Google Patents

一种具有环形谐振腔的光谱调控器件 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种具有非同轴内切圆环谐振腔结构的光谱调控器件。在对称性被破坏的结构中，由于明暗共振模式作用，在透射谱中出现明显的Fano线型，通过设置多环结构从而影响光波的透射率，在800‑2000nm波长范围内，随着更多圆环的耦合，传输特性上实现了多个Fano峰。因此多环结构可尝试在多波段内实现传感效应，多路开关以及波分复用等领域，为纳米集成光子学的发展提供有力支撑。

Description

一种具有环形谐振腔的光谱调控器件
技术领域
本发明属于光学器件领域，更具体的是属于光谱调控器件领域。
背景技术
基于表面等离子体激元(SPPs)来控制纳米光是主要的方法之一，另一种是基于光子晶体的方式。由于金属纳米结构拥有很好的控光能力，依赖于纳米结构的光学共振性质引起了广泛的关注，其中Fano共振是国内外热门的议题。
Fano共振形成是由于在非对称的纳米结构中高阶多极模式与偶极子模式的耦合，并具有明显的不对称的线型，由于其尖锐的线型，Fano共振也广泛应用于纳米级光学传感器、激光器、开关、非线性等慢光设备。尤其是基于SPPs的传感器在监测材料折射率变化时，折射率的局部性增强和对周围介质的高灵敏度现象引起了人们极大的兴趣。在各种不同的纳米结构中，例如槽和环形腔，一个非同轴环形或圆盘谐振器和纳米腔都与金属-介质-金属耦合，这是因为其深亚波长对光的限制，使金属-介质-金属更适合于高度集成的光学电路。
发明内容
因此，本申请保护一种具有环形谐振腔的光谱调控器件，其包括基板、波导，该波导为设置于基板内部的第一空腔，该波导的一端设置于基板的左端，另一端设置于基板的右端，该波导沿着基板的长度方向延伸，其特征在于：还包括设置于基板内部的且相互内切的第一圆环谐振腔和第二圆环谐振腔，该第一圆环谐振腔以及第二圆环谐振腔分别为设置于波导内部的第二空腔和第三空腔，该第一圆环谐振腔以及第二圆环谐振腔分别与该波导相切设置，第一空腔、第二空腔以及第三空腔在切点处相互贯通，光从波导的左端进入，沿着波导的表面进行传输，当光传输至切点处时，光分成三路进行传输，即第一路光继续沿波导继续进行传输，第二路光经过第一圆环谐振腔后在该第一圆环谐振腔内逆时针传输，第三路光经过第二圆环谐振腔后在该第二圆环谐振腔内逆时针传输，最后该三路光在切点处进行耦合，耦合后的光沿着波导的表面继续传输至波导右端。
更进一步的，该圆环谐振腔为多个，该多个圆环谐振腔之间相互内切并且该多个圆环谐振腔都与波导相切。
更进一步的，该多个圆环谐振腔的半径不相等。
更进一步的，该基板的材料为银。
本发明的有益效果是：通过设置多环谐振腔结构的光谱调控器件，可对Fano 峰进行调谐，使其更具有实用价值，在多波段内实现传感效应，多路开关以及非线性设备等领域上有潜在效益。
附图说明
图1a双圆环谐振腔结构的光谱调控器件。
图1b双圆环谐振腔结构的光谱调控器件透射谱示意图。
图2a双圆环谐振腔结构的光谱调控器件的相位图。
图2b双圆环谐振腔结构的光谱调控器件的时延图。
图3分别具有3、4、5、6个圆环谐振腔结构的光谱调控器件的透射谱图。
图4分别具有3、4、5、6个圆环谐振腔结构的光谱调控器件的相位图。
图5分别具有3、4、5、6个圆环谐振腔结构的光谱调控器件的时延图。
具体实施方式
如图1a所示，一种具有环形谐振腔的光谱调控器件，其包括基板1、波导2，该波导2为设置于基板1内部的第一空腔，该波导2的一端设置于基板1的左端，另一端设置于基板1的右端，该波导2沿着基板1的长度方向延伸，其特征在于：还包括设置于基板内部的且相互内切的第一圆环谐振腔3和第二圆环谐振腔4，该第一圆环谐振腔3以及第二圆环谐振腔4分别为设置于波导2内部的第二空腔和第三空腔，该第一圆环谐振腔3以及第二圆环谐振腔4分别与该波导2相切设置，第一空腔、第二空腔以及第三空腔在切点处相互贯通，光从波导2的左端进入，沿着波导2的表面进行传输，当光传输至切点处时，光分成三路进行传输，即第一路光继续沿波导2继续进行传输，第二路光经过第一圆环谐振腔3后在该第一圆环谐振腔3内逆时针传输，第三路光经过第二圆环谐振腔4后在该第二圆环谐振腔4内逆时针传输，最后该三路光在切点处进行耦合，耦合后的光沿着波导2的表面继续传输至波导2右端。
其中波导2的宽度用D来表示，圆环谐振腔的厚度用d表示，。谐振器的共振条件可以近似为
λm＝2Re(neff)Leff/m，m＝1，2，3，...， (1)
式中，Leff＝π(r+R)/2是有效的谐振长度，Re(neff)是从色散方程neff得到有效折射率的实部；_εikz2+εmkz1coth(-ikz1D/2)＝0，D是波导的长度，是在绝缘体或者金属上的横向传播常数，k0＝2π/λ：是自由空间的波向量，εi和εm分别是介电介质和金属的介电常数。为保证波导2 中只有基态横磁模(TM0)一种传播模式，波导2的宽度D固定为50nm，而第二圆环谐振腔4的厚度d固定为20nm，内径为40nm，外径为60nm，第一圆环谐振腔3的内径和外径分别为60nm，80nm的圆环，两个圆环谐振腔之间的间隔 s＝20nm，该结构采用了统一设置的完美匹配层(PML)作为吸收边界条件。基板的材质为银，波导为具有空腔的空气，由于两个圆环谐振腔的中心半径不同，当一个圆环谐振腔结构产生窄谱共振的暗模式时，与其耦合的另一个圆环能产生宽谱共振的明模式，形成一个非对称线型的Fano共振峰，如图1b所示，此时920nm 处产生一个波峰，透射率约为0.7。在透射峰左侧有一个陡峭的波谷，波长约为 854nm，透射率接近为～0，而右侧透射率则缓慢变化。其次，在波导2的输入端处分布有很强磁场，输出端处基本无磁场分布，第一圆环谐振腔3与第二圆环谐振腔4上端分布有很强的磁场，而第二圆环谐振腔4底部的场强基本为零，在对应Fano共振峰波长的磁场分布中可知，此时波导2的输入端与输出端处都分布有较强的磁场，第一圆环谐振腔3上端分布有较强的磁场，而第二圆环谐振腔4 上端分布有较弱的磁场，第一圆环谐振腔3与第二圆环谐振腔4的左右两端与下端场强基本都为零。
图2a中可知，在920nm和1400nm处发生了相位的变化，分别对应于图1b 中的Fano共振波谷、波峰。波长从854nm到920nm，相位从0.75π跳变到1.25π，波长从1400nm到1450nm，相位从-0.4π跳变到0.1π。在其余波段，相位均呈线性变化的趋势。根据时延与相位的关系。色散和延迟时间τ分别满足条件：τ(λ)＝-λ2dθ/2πcdλ和dp＝dτ/dλ。在920nm和1400nm处的时延值分别为 -0.13ps和-0.75ps。
保持图1b双圆环谐振腔不变的情况下，同时，保持圆环之间的距离s＝20nm 的条件下，逐次增加一个圆环，圆环的内径和外径分别为80nm和100nm、100nm 和120nm、120nm和140nm、140nm和160nm，每增加一个圆环，将形成多一个非对称线型的Fano共振峰；五圆环谐振腔与六圆环谐振腔都形成四个非对称线型的Fano共振峰，而六圆环谐振腔形成的Fano共振峰共振效果比五圆环谐振腔的更明显。因此，当某个结构能产生Fano波形时，对其扩展同样的结构进行多通道耦合，理论上可以形成多Fano峰。
从相位与时延的角度对图3中的Fano共振效应进行分析，得到图4的相位图与图5的时延图。从图中可以看出在Fano共振峰波长区域均有相位跳变的现象，而其他波长范围相位变化缓慢，从而导致在波谷处有负时延的效果。从图4 以及图5可知，在810nm、1100nm和1700nm处发生了相位的变化，波长从810nm 到860nm，相位从1.00π跳变到1.50π，波长从1100nm到1160nm，相位从0跳变到0.50π，波长从1700nm到1750nm，相位从-0.8π跳变到0。在其余波段，相位均呈线性变化的趋势。根据时延与相位的关系，可知，在810nm、1100nm和1700nm处的时延值分别为-0.15ps、-0.05ps和-0.04ps。
下面以六圆环谐振腔为例分析磁场分布，波峰为835nm时，波导2输入输出端均有较强的场强分布，而波谷为1015nm时，波导2输入端有较强的磁场分布，而输出端场强基本为零。另外，在波峰对应的场强分布中，可发现波峰为 1070nm的每个圆环上端和下端均分布有较强的磁场，而左右两端的场强基本为零，在波谷对应的场强分布中，可发现波谷为1275nm的波导2与多圆环谐振腔的场强基本为零，波谷为1556nm与波谷为1960nm均为每个圆环的上端分布有较强的磁场，下端分布有较弱的磁场，而左右两端的场强基本为零。
另外其他参数也会对Fano线型产生不同的影响，如环的厚度增加，即中心半径的增加，会使窄谱谐振波长向长波方向移动，导致Fano峰红移；耦合距离越大，则透过率越小，波形的带宽就越窄；填充介质的折射率的增加同样能使共振波长红移。
通过设置多环谐振腔结构的光谱调控器件，可对Fano峰进行调谐，使其更具有实用价值，在多波段内实现传感效应，多路开关以及非线性设备等领域上有潜在效益。

Claims (2)

1.一种具有环形谐振腔的光谱调控器件，其包括基板、波导，该波导为设置于基板内部的第一空腔，该波导的一端设置于基板的左端，另一端设置于基板的右端，该波导沿着基板的长度方向延伸，其特征在于：基板的材质为银，且还包括设置于基板内部的且相互内切的第一圆环谐振腔和第二圆环谐振腔，该第一圆环谐振腔以及第二圆环谐振腔的中心半径不相等且分别设置于波导内部的第二空腔和第三空腔，该第一圆环谐振腔以及第二圆环谐振腔分别与该波导相切设置，第一空腔、第二空腔以及第三空腔在切点处相互贯通，光从波导的左端进入，沿着波导的表面进行传输，当光传输至切点处时，光分成三路进行传输，即第一路光沿波导继续进行传输，第二路光经过第一圆环谐振腔后在该第一圆环谐振腔内逆时针传输，第三路光经过第二圆环谐振腔后在该第二圆环谐振腔内逆时针传输，最后该三路光在切点处进行耦合，耦合后的光沿着波导的表面继续传输至波导右端。
2.如权利要求1所述的一种具有环形谐振腔的光谱调控器件，其特征在于：该圆环谐振腔为多个，多个圆环谐振腔之间相互内切并且该多个圆环谐振腔都与波导相切。
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