CN110082857A - 一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导，包括弯曲微纳光波导和金属纳米颗粒，金属纳米颗粒置于弯曲微纳光波导的弯曲部的内凹面上，且金属纳米颗粒能够与弯曲微纳光波导形成耦合效应。本发明利用金属纳米颗粒的表面等离激元与波导的耦合，将传输光场更有效地约束在波导中，可以显著降低弯曲半径在微米量级的波导弯曲损耗。而且，本发明只需在波导的弯曲部的内凹面上加入金属纳米颗粒，无需改变波导的原有结构，即无需改变原有波导的制作方法以及工艺，就可以将弯曲损耗大幅度降低，为实现具有高集成度的集成光路提供了简单、可行的方法。

Description

一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导
技术领域
本发明涉及一种小弯曲半径波导，尤其涉及一种弯曲微纳光波导，可用于光子集成器件和芯片中。
背景技术
小弯曲半径波导近年来引起了研究者的广泛关注，目前用来实现高集成度的光子集成电路。弯曲波导可以实现连接非共线光学组件，改变光束的传播方向，特别是小尺寸、低损耗的弯曲波导，可以提高集成光学的集成度并降低器件尺寸和成本。基于二氧化硅（SiO2）的集成光学器件具有传输损耗小和光纤模式匹配好的特点，但是与空气折射率差较小，不利于制备弯曲波导，并且不能用于制备有源器件，限制了其在光学集成中的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导，以克服小弯曲半径波导弯曲损耗大的缺陷。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：本发明基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导包括弯曲微纳光波导和金属纳米颗粒，金属纳米颗粒置于弯曲微纳光波导的弯曲部的内凹面上，且金属纳米颗粒能够与弯曲微纳光波导形成耦合效应。
进一步地，本发明所述弯曲微纳光波导的横截面的半径为100～150 nm，所述弯曲部的弯曲半径为0.5～3 μm，弯曲微纳光波导的折射率为1.45～2.5。
进一步地，本发明所述金属纳米颗粒的半径为10～120 nm。
进一步地，本发明所述金属纳米颗粒的材料为金、银、铝或铜。
进一步地，本发明所述弯曲微纳光波导的输入光的波长为500～900 nm，且为TE模式。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明弯曲微纳光波导利用金属纳米颗粒的表面等离激元与波导的耦合，将传输光场更有效地约束在波导中，可以显著降低弯曲半径在微米量级的波导弯曲损耗。并且，本发明只需在波导的弯曲部的内凹面上加入金属纳米颗粒，无需改变波导的原有结构，即无需改变原有波导的制作方法以及工艺，就可以将弯曲损耗大幅度降低，为实现具有高集成度的集成光路提供了简单、可行的方法。
附图说明
图1是本发明的结构示意图，其中，图1b为图1a的右视图；
图2是弯曲损耗随弯曲半径变化的情况，其中正方形曲线为加入一个半径为70 nm的金纳米颗粒时波导的弯曲损耗，圆点曲线为未加金纳米颗粒时波导的弯曲损耗；
图3是波导弯曲损耗随着加入的金纳米颗粒的半径大小而产生的变化，其中，弯曲微纳光波导的弯曲部的内凹面上只加入一个金纳米颗粒与波导耦合；
图4是波导弯曲损耗随加入的金纳米颗粒在弯曲部的位置上的变化而变化的情况，其中，弯曲微纳光波导的弯曲部的内凹面上只加入一个金纳米颗粒与波导耦合；
图5是波导弯曲损耗随着输入波长的变化而变化的情况，其中，弯曲微纳光波导的弯曲部的内凹面上只加入一个金纳米颗粒与波导耦合，且金纳米颗粒置于弯曲微纳光波导的内凹面的纵向中心线上；为进行比对，将一颗相同尺寸的PS金属纳米颗粒置于相同位置，以研究输入波长对波导弯曲损耗的影响；
图6是波导弯曲损耗随着与波导耦合的金纳米颗粒的个数增加的变化情况；
图7是不加颗粒时的电场分布模式图；
图8是加入7个金纳米颗粒时的电场分布模式图；
图9是波导弯曲损耗随着输入波长的变化而变化的情况，其中，弯曲微纳光波导的弯曲部的内凹面上只加入1个铝纳米颗粒与波导耦合，且铝纳米颗粒置于弯曲微纳光波导的内凹面的纵向中心线上。
图10是波导弯曲损耗随着输入波长的变化而变化的情况，其中，在弯曲微纳光波导的内凹面上不均匀地分布有7个半径为50 nm的铜纳米颗粒。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的示例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由图1a和图1b显示，将金属纳米颗粒2放置在弯曲微纳光波导1的弯曲部3的内凹面4上。当弯曲微纳光波导1的材料为二氧化硅（n=1.4565），波导半径为150 nm，输入光为沿x方向偏振（TE模式），波长为650 nm，在弯曲微纳光波导1的内凹面4中只加入一个半径为70nm的金纳米颗粒2，弯曲部3的弯曲半径为0.5 μm时，损耗降低最大，约为2 dB/90°，如图2所示。
当波导的半径为100 nm，弯曲半径为3 μm，输入光为650 nm的TE模式，在波导的内凹面4中加入七个半径为70 nm的金纳米颗粒2时，弯曲损耗从23.2 dB/90°降低至21 dB/90°。
为了研究金属纳米颗粒2的尺寸对波导弯曲损耗的影响，在横截面半径为150 nm、材料为二氧化硅的弯曲微纳光波导1的内凹面4上加入一个不同半径的金纳米颗粒2，输入光为650 nm的TE模式，结果如图3所示。其中，圆形曲线表示波导弯曲半径为0.5 μm，弯曲损耗随加入的金纳米颗粒2的半径大小而产生的变化，当加入一颗半径为120 nm的金纳米颗粒2时，弯曲损耗从12.4 dB/90°降低至8.5 dB/90°，降低了3.9 dB/90°。正置三角形曲线表示波导弯曲半径为1.0 μm，加入不同半径的金纳米颗粒2时弯曲损耗的变化情况，当加入一颗半径为120 nm的金纳米颗粒2时，弯曲损耗从10.0 dB/90°降低至8.5 dB/90°，降低了1.5dB/90°。正方形曲线表示波导弯曲半径为1.5 μm，加入不同半径的金纳米颗粒2时弯曲损耗的变化情况，当加入一颗半径为120 nm的金纳米颗粒2时，弯曲损耗从8.5 dB/90°降低至8.1 dB/90°，降低了0.4 dB/90°。倒置三角形曲线表示波导弯曲半径为0.5 μm，加入不同半径的PS金属纳米颗粒时弯曲损耗的变化情况，当加入一颗半径为120 nm的PS金属纳米颗粒时，弯曲损耗12.4 dB/90°降低至11.7 dB/90°，降低了0.7 dB/90°。当金属纳米颗粒2的半径为0 nm，即不加入金属纳米颗粒2时，经对比可以发现，波导的弯曲半径越小，加入金纳米颗粒2以后，波导的弯曲损耗降低得越多。如当加入半径为120 nm的金纳米颗粒2，波导弯曲半径分别为0.5 μm、1.5 μm时，弯曲损耗分别降低了3.9 dB/90°和0.4 dB/90°。同时，随着金属纳米颗粒2的半径增加，波导弯曲损耗越来越小。例如，当波导弯曲半径为0.5 μm，加入金纳米颗粒2的半径分别为20 nm和120 nm时，波导弯曲损耗分别降低了0.2 dB/90°和3.9dB/90°。为了对比，加入了半径与金纳米颗粒2相同的PS金属纳米颗粒，相同条件下，加入金纳米颗粒2的弯曲损耗（8.5 dB/90°）远远小于加入PS颗粒的弯曲损耗（11.7 dB/90°）。
为了研究金属纳米颗粒2在弯曲部3的内凹面4上的位置对波导弯曲损耗的影响，在横截面半径为125 nm、弯曲半径为1.5 μm、材料为氮化硅（n=1.9962）的弯曲微纳光波导1的内凹面4的不同位置上放置一颗半径为120 nm的金纳米颗粒2，输入光为800 nm的TE模式光，结果如图4所示，当金纳米颗粒2位于内凹面4的36°左右位置处时，弯曲损耗最小为4.84dB/90°。
为了研究在同一金属纳米颗粒2-弯曲微纳光波导1耦合结构的下，波长对弯曲损耗的影响，如图5所示，在横截面半径为150 nm、弯曲半径0.5 μm、材料为二氧化硅的弯曲微纳光波导1的弯曲部3的内凹面4上放置一颗半径为110 nm的金纳米颗粒2，其中，圆形曲线表示不加金属纳米颗粒2时，弯曲损耗随波长的变化；正置三角形曲线表示加入PS金属纳米颗粒时，弯曲损耗随波长的变化；正方形曲线表示加入金纳米颗粒2时，弯曲损耗随波长的变化；倒置三角形曲线表示加入金纳米颗粒2时，弯曲损耗降低值随波长的变化。从图中可以看出，损耗降低值与波长不是单调递增的，当输入波长为750 nm左右时，损耗降低最大，约5 dB/90°，而在输入波长为500 nm时，损耗降低了约为0.65 dB/90°。
为了研究加入的金属纳米颗粒2的数量对弯曲微纳光波导1的弯曲损耗的影响，利用横截面半径为100 nm、弯曲半径为1 μm、折射率为2.5的弯曲微纳光波导1，当输入波长为800 nm且为TE模式时，如图6所示，在弯曲微纳光波导1的弯曲部3的内凹面4上均匀加入7个半径为60 nm的金纳米颗粒2时，损耗降低为2.4 dB/90°，与未加金纳米颗粒2相比，波导弯曲损耗降低了3.66 dB/90°。同样，利用半径为125 nm、弯曲半径为1 μm、材料为氮化硅的弯曲微纳光波导1，当输入波长为800 nm且为TE模式时，在弯曲微纳光波导1的弯曲部3的内凹面4上均匀加入7个半径为70 nm金纳米颗粒2时，损耗降低为2.62 dB/90°，与未加金纳米颗粒2相比，波导弯曲损耗降低了4.34 dB/90°。由图7、8显示，弯曲微纳光波导1加入7个半径为60 nm的金纳米颗粒2时，输出光比不加入金纳米颗粒2的明显增加。
本发明中，金属纳米颗粒2的材质还可以为银、铝、铜，且可以不均匀地分布于弯曲微纳光波导1的弯曲部3的内凹面4上。如图9所示，当材料为二氧化硅的弯曲微纳光波导1的横截面半径为150 nm、弯曲半径为1 μm时，在弯曲微纳光波导1的内凹面4的纵向中心线上放置一颗半径为60 nm的铝金属纳米颗粒2，当输入波长在500 nm时，弯曲损耗降低了约3dB/90°。当输入波长为650 nm，加入一颗半径为70 nm的银金属纳米颗粒2时，弯曲损耗降低至9 dB/90°，降低了约为1 dB/90°。如图10所示，7个半径为50 nm的铜金属纳米颗粒2不均匀地分布于弯曲微纳光波导1的弯曲部3的内凹面4上，当波长为610 nm时，损耗降低最大，弯曲损耗从10.57 dB/90°降低至6.15 dB/90°，损耗降低了4.42 dB/90°。

Claims (8)

1.一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导，其特征在于，包括：弯曲微纳光波导（1）和金属纳米颗粒（2），金属纳米颗粒（2）置于弯曲微纳光波导（1）的弯曲部（3）的内凹面（4）上，且金属纳米颗粒（2）能够与弯曲微纳光波导（1）形成耦合效应。
2. 根据权利要求1所述的一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导，其特征在于：所述弯曲微纳光波导（1）的横截面的半径为100～150 nm，所述弯曲部（3）的弯曲半径为0.5～3 μm，弯曲微纳光波导（1）的折射率为1.45～2.5。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导，其特征在于：所述金属纳米颗粒的半径为10～120 nm。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导，其特征在于：所述金属纳米颗粒（2）的材料为金、银、铝或铜。
5.根据权利要求3所述的一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导，其特征在于：所述金属纳米颗粒（2）的材料为金、银、铝或铜。
6. 根据权利要求1、2或5所述的一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导，其特征在于：所述弯曲微纳光波导的输入光的波长为500～900 nm，且为TE模式。
7. 根据权利要求3所述的一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导，其特征在于：所述弯曲微纳光波导的输入光的波长为500～900 nm，且为TE模式。
8. 根据权利要求4所述的一种基于金属纳米颗粒耦合结构的弯曲微纳光波导，其特征在于：所述弯曲微纳光波导的输入光的波长为500～900 nm，且为TE模式。
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