CN109375300A - 一种表面等离子体激元全光二极管实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面等离子体激元全光二极管实现方法，背景的中部对称设置有波导，波导之间设置有第一短腔和第二短腔，且第一短腔和第二短腔自左向右并肩排列，第一短腔和第二短腔之间设置有间隔，第一短腔与左侧波导以及第二短腔与右侧波导之间的水平距离相等。本发明所设计全光二极管完全由传输信号控制，较前人设计结构本发明具高的单向透射率、非常好正反透射比、低的阈值功率、工作波段可调以及简单灵活的设计方法等优点。

Description

一种表面等离子体激元全光二极管实现方法
技术领域
本发明涉及全光二极管技术，尤其涉及利用表面等离子体激元波导FP腔与微腔的相互作用来实现全光二极管的方法。
背景技术
随着现在科技的发展与进步，传统的信息与网络已经满足不了人们的需求，纳米光学也随之崛起。如何获得突破衍射极限的光波导及光调制器，是实现纳米全光集成的基础，也是纳米光子学领域的一大研究热点。
近年来，纳米光子学中的一大研究热点——表面等离子体激元(Surface PlasmonPolaritons,SPPs)以其特殊的光学性质成为解决上述问题的理想方案。因为SPPs的电磁场具有很强的表面束缚性，可以突破衍射极限，所以SPPs单元器件的尺寸可以缩小到纳米量级。在SPPs单元器件中，突破衍射极限的程度和能量损耗是相互制约的，因此在设计SPPs光子功能器件结构时，需要权衡这两者。SPPs共振腔把SPPs和共振腔的特性结合起来，不仅利用SPPs可以较大程度上满足突破衍射极限的需求，而且利用腔的共振特性进一步增强了腔内能量，可以实现高Q值、小模体积的微型SPPs共振腔。SPPs全光调控利用SPPs局域场增强特性可以实现高灵敏、低阈值、高速的SPPs全光开关和全光二极管。SPPs共振腔和SPPs全光调制器在纳米光子器件、纳米集成光路及微纳传感等领域具有很大优势，因此具有潜在的应用前景。
全光二极管是指光从一端入射有透射信号，而从相反的方向入射无透射信号的器件。类似于电子二极管具有正向导通，反向截止的功能。所以全光二极管在集成光学电路和全光网络中有重要应用。
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PIR效应的双腔耦合结构—并排双腔谐振器(side-by-side double-stub resonator，SBSDSR)的基础上实现全光二极管的结构，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：
一种表面等离子体激元全光二极管实现方法，包括背景、波导、第一短腔和第二短腔；所述背景的中部对称设置有所述波导，所述波导之间设置有所述第一短腔和第二短腔，且第一短腔和第二短腔自左向右并肩排列，第一短腔和第二短腔之间设置有间隔，第一短腔与左侧波导以及第二短腔与右侧波导之间的水平距离相等。
进一步，所述背景的材料为银；
进一步，所述波导为金属-绝缘体-金属(MIM)波导，绝缘体的材料为熔融石英，介电常数为2.31；
进一步，所述第一短腔和第二短腔为表面等离子体激元微腔；第一短腔为引入非线性有机聚合物的非线性腔；第二短腔为线性腔。
进一步，所述非线性有机聚合物为非线性Kerr材料。
进一步，所述非线性Kerr材料的介电常数εc取决于电场的强度|E2|：εc＝ε0+χ(3)|E2|；线性介电常数ε0的值也是2.31，典型的三阶非线性磁化率是χ(3)＝1.4×10-7esu≈1×10-15m2/V2。
本发明所设计全光二极管完全由传输信号控制，较前人设计结构本发明具高的单向透射率、非常好正反透射比、低的阈值功率、工作波段可调以及简单灵活的设计方法等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2a为没有引入非线性Kerr材料时的透射光谱图；
图2b为λ0＝1030nm正向传输时，光场分布的动态演化图；
图2c为λ0＝1030nm反向传输时，光场分布的动态演化图；
图3a为输入光强度P＝0.6mw/μm2时，正向传输和反向传输的透射率随时间的动态变化光谱图；
图3b为P＝0.6mw/μm2正向入射时，光场分布的动态演化图；
图3c为P＝0.6mw/μm2反向入射时，光场分布的动态演化图；
图4a为λ0＝1030nm时，全光二极管正向和反向透射率随入射光功率密度的变化关系图；
图4b为λ0＝1050nm时，全光二极管正向和反向透射率随入射光功率密度的变化关系图。
图中：1.背景，2.波导，3.第一短腔，4.第二短腔。
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1，一种基于表面等离子体激元微腔的全光二极管结构，包括背景1、波导2、第一短腔3和第二短腔4，背景1的中部对称设置有波导2，波导2之间设置有第一短腔3和第二短腔4，且第一短腔3和第二短腔4自左向右并肩排列，第一短腔3和第二短腔4之间的间隔g，第一短腔3与左侧波导2之间的水平距离为w，第二短腔4与右侧波导2之间的水平距离也为w。由于在没有引入非线性效应时，右PIR峰的振荡模式主要集中在第一短腔3中。所以，在第一短腔3中引入了非线性有机聚合物，介电常数εc取决于电场的强度|E2|：εc＝ε0+χ(3)|E2|。线性介电常数ε0的值也是2.31，典型的三阶非线性磁化率是χ(3)＝1.4×10-7esu≈1×10-15m2/V2。
其他参数保持不变，非线性腔和线性腔之间的间隙设定为g＝20nm。线性PIR现象的透射光谱的变化情况参见附图2a。在右PIR峰右侧的透射光谱的反射带处选择工作波长λ0(λ0＝1030nm)。在λ0＝1030nm时正向和反向入射时光路的分布情况分别参见图2b和2c。在没有非线性效应的情况下，由于工作波长位于反射带，输入光将被截止以用于向前和向后传输。由于λ0靠近右侧PIR峰的波长，所以倏逝波不可避免地耦合到SBSDSR系统中。随着入射光光强的增加，倏逝波随之增强，产生非线性克尔效应。非线性腔介质的折射率也会发生改变，左PIR峰将向λ0方向红移。在此过程中，在λ0处反射状态将转换为透射状态。工作波长λ0越接近右侧峰值，产生非线性克尔效应的光功率阈值就越低。显然，向前传输的非线性腔的场强分布强于后向传输。因此，在等效输入光强条件下，正向传输转换为透射状态，反向传输将保持反射状态。从而实现了全光二极管的单向传输效果。
接着，引入非线性后，采用FDTD方法对SBSDSR的非线性动力响应进行了数值研究。输入光强设定为P＝0.6mw/μm2，正向传输和反向传输的透射率随时间的动态变化光谱图参见附图3a，黑色实线表示正向传输，黑色虚线表示反向传输。对于正向传输，透射率随着时间的增长而增加，并且在T＝0.4ps之后变为稳定的透射状态；但是反向传输始终保持截止。此外，还揭示了一种近似于亚皮秒级的设备的超高响应时间。输入功率密度P＝0.6mw/μm2时正向入射和反向入射的磁场分布分别参见图3b和图3c。在P＝0.6mw/μm2时，传输光正向入射通过器件时不是反射回来而是进行正向传输，但是反向传输却是截止的。进一步证明了全光二极管单向传输的功能。
最后，详细研究了不同输入光功率密度的前向和后向传输的透射率之间的关系。参见附图4a，黑色实线和黑色虚线分别表示在λ0＝1030nm时全光二极管正向和反向透射率随入射光功率密度的变化关系。对于正向入射，在P＝0.5mw/μm2时观察到从低到高的突变；对于反向入射，透射率的微小变换出现在约P＝1.4mw/μm2。因此，全光二极管的单向导通、反向截止的的功能可以在0.5mw/μm2≤P≤1.4mw/μm2范围内实现。阈值强度表示单向导通的最低强度，需要0.5mw/μm2。在P＝0.55mw/μm2时，正向入射透射率40.4％，并且透射比可以达到56.3％。另外，考虑将工作波长改变为λ0＝1050nm。全光二极管正向入射和反向入射的透射率随入射光功率密度的变化关系参见附图4b。显然，正向入射和反向入射的透射率突变分别出现在P＝1.5mw/μm2和P＝6.4mw/μm2处。全光二极管单向传输的功能是在1.5mw/μm2≤P≤6.4mw/μm2范围内实现的。与1030nm的情况相比，单向传输的功率密度范围变宽，透射对比度提高到77.2％。然而，阈值强度也增加很多，最大透射率降低到21.1％。
一种全光二极管的实现方法，用非线性有机聚合物填充第一短腔，引入非线性，使得非线性腔与线性腔耦合产生非线性克尔效应，实现单向导通功能；通过FDTD对其传输特性和性能进行数值仿真和分析发现：该结构在较低的光强阈值下可实现正向导通、反向截止的全光二极管效果，且具有超快的响应时间和最大透射率达到77.2％的较高的正反透射比。通过调节工作波长可以扩大全光二极管的功率密度范围。我们相信PIR系统在高度集成的光学电路中的全光学信息处理应用中具有巨大的潜力。
本发明设计的全光二极管的实现方法，通过短腔腔模之间的相互作用，产生表面等离子体诱导反射(PIR)效应。用非线性有机聚合物填充表面等离子体激元微腔的第一短腔3，使得非线性腔和线性腔耦合产生非线性Kerr效应。随着入射光光强的增加，非线性腔介质的折射率也会发生改变，非线性Kerr效应也随之增强。在等效输入光强条件下，正向传输转换为透射状态，反向传输保持反射状态，从而实现了全光二极管的单向导通、反向截止的功能。
后来研究了具有不同输入光功率密度的正向和反向传输的透射率之间的关系。正向透射的透射率是从低到高的突变。反向透射的透射率在较低的功率密度处变换。在功率阈值P＝0.55mw/μm2时，正向透射光效率的最大透射率40.4％，并且透射对比度可以达到56.3％。将工作波段由λ0＝1030nm变为λ0＝1050nm后，有前向和后向透射的更明显的透射率突变出现。与1030nm的情况相比，非互易传输的功率密度范围变宽，透射对比度提高到77.2％。然而，阈值强度也增加很多，最大透射率降低到21.1％。

Claims (6)

1.一种表面等离子体激元全光二极管实现方法，包括背景、波导、第一短腔和第二短腔；其特征在于，所述背景的中部对称设置有所述波导，所述波导之间设置有所述第一短腔和第二短腔，且第一短腔和第二短腔自左向右并肩排列，第一短腔和第二短腔之间设置有间隔，第一短腔与左侧波导以及第二短腔与右侧波导之间的水平距离相等。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体激元全光二极管实现方法，其特征在于，所述背景的材料为银。
3.根据权利要求1所述的表面等离子体激元全光二极管实现方法，其特征在于，所述波导为金属-绝缘体-金属波导，绝缘体的材料为熔融石英，介电常数为2.31。
4.根据权利要求1所述的表面等离子体激元全光二极管实现方法，其特征在于，所述第一短腔和第二短腔为表面等离子体激元微腔；第一短腔为引入非线性有机聚合物的非线性腔；第二短腔为线性腔。
5.根据权利要求4所述的表面等离子体激元全光二极管实现方法，其特征在于，所述非线性有机聚合物为非线性Kerr材料。
6.根据权利要求5所述的表面等离子体激元全光二极管实现方法，其特征在于，所述非线性Kerr材料的介电常数εc取决于电场的强度|E2|：εc＝ε0+χ(3)|E2|；线性介电常数ε0的值也是2.31，典型的三阶非线性磁化率是χ(3)＝1.4×10-7esu≈1×10-15m2/V2。
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