CN110174725B - 一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，属于微纳光子学器件领域。本发明公开了一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件。这种波长路由器件实现了1μm×1μm的超小结构，是目前已知的最小尺寸的波长路由器件，适用于大型光子集成。本发明的器件由两种不同折射率的材料构成，是正方形和小矩形组成的平面二维结构，通过优化改变矩形的长度、宽度及位置，以令器件达到很好的分光效果，并得到了打破传统局限的无序结构。

Description

一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件
技术领域
本发明涉及一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，属于微纳光子学器件领域。
背景技术
光子集成技术是光纤通信最前沿、最有前途的领域。光子集成电路是将若干光器件集成在一片基片上，构成一个整体，使其具有某些功能的光路。与传统电子电路相比，光子集成电路具有速度快，集成度高，抗干扰能力强的优点。光子领域的快速发展使得光子器件的研究与设计成为热点，对光子集成电路中的功能器件的要求也越来越高。波长路由能够将不同波长分开使之传播到不同输出端口，是光子集成器件的重要器件之一，受到了广泛关注。因此设计一种尺寸小、效率高、带宽大、易于集成的波长路由纳米器件具有非常重要的价值。
波长路由器件能够将不同的波长分开并传播到不同输出端口，传统的基于光栅或微腔的方法存在尺寸大不利于集成等挑战。利用金属表面等离激元结构是实现超小型尺寸波长路由器件的重要方法，过去常用的表面等离激元波长路由结构通常是基于表面等离激元波导或耦合腔结构，限制了波长路由器件的设计。近几年，基于安德森局域理论的无序结构器件得到了发展。基于安德森光子的局域化理论，无序结构器件可以实现波长路由。然而，到目前为止，利用金属表面等离激元、并基于安德森局域理论设计超小型无序结构的片上波长路由器件还未提出。
发明内容
本发明提出了一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，该片上波长路由器件具有如下优点：(1)器件的结构尺寸为1μm×1μm，是目前已知的最小尺寸的波长路由器件；(2)实现的器件为一种平面矩形柱的无序结构；
(3)器件由两种不同折射率的材料构成，衬底为介质，矩形柱为金属。
本发明的目的是通过以下述技术方案实现的。
本发明公开的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，器件的结构为：在正方形介质衬底上放置固定个数的小矩形，形成一种平面结构。正方形衬底和若干小矩形为两种折射率不同的材料，其中，衬底为介质，小矩形为金属。同时改变矩形的长度、宽度及位置，对器件结构进行优化，可以得到一个无序的基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，通过物理场仿真软件可以求得该器件的电磁场分布以及分光效果。
所述片上波长路由器件，可实现1μm×1μm的超小尺寸结构，是目前的已知的波长路由器件的最小尺寸，适用于大型光子集成。
所述小矩形的最小尺寸不低于50nm；
本发明公开的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，该器件在设计时可以同时改变矩形的长度、宽度及位置，使得结构形状高度自由，打破了传统结构的局限。
本发明公开的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，进行操作的工作波段不受限制。同时，可以改变出射端口的位置、长短，可根据需要实现的功能进行结构参数变化。
作为优选，在设计平面正方形介质衬底上放置固定个数的金属矩形材料。
作为优选，所述的物理场仿真软件优选COMSOL Multiphysics软件。
有益效果：
1、本发明公开的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，实现了1 μm×1μm的超小尺寸，是目前的已知的波长路由器件的最小尺寸，适用于大型光子集成。
2、本发明公开的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，其制备过程为在正方形材料上放置矩形材料，形成一种平面结构，且两种材料折射率不同。其中矩形最小尺寸不低于50nm，能够利用目前最先进的微纳加工方法制备，适于芯片上的集成应用，推动波长路由器件相关领域发展。
3、本发明公开的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，在本发明中器件的材料及工作波段不限。同时，可以改变出射端口的位置、长短及矩形的大小和位置，可根据需要实现的功能进行结构参数变化。
4、本发明公开的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，本发明是在某折射率材料上放置一定数量另一折射率矩形材料，其为一平面结构，适合微纳加工方法制备，所述的微纳加工方法包括聚焦离子束刻蚀或者电子束曝光方法。
5.器件设计的物理原理是安德森光子局域化理论。无序结构的每个结构单元都可以看作是一个光学散射体，产生多个散射波。当多个散射光波相互干扰时，电磁波在无序结构中形成各种局域模和导模。局域模一般被困在结构中；而导模可以形成微通道进行光传输。当入射光波长与导模匹配时，光可以通过结构透射出去；但是，如果入射波长与波导模不匹配，入射光波的传输将被禁止。因此，不同入射波长和不同结构的透射率会不同。
附图说明
图1:基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件的二维结构图，器件工作时，入射光由左侧中间部分正入射，而上下分别有两个出射端口，上端出射口为600 nm光出射端口，下端出射口为800nm光出射端口。
图2：模拟的透射光谱，工作波段为500nm至1000nm，透射峰中心波长分别为λ＝600nm和λ＝800nm。
图3:分别模拟600nm和800nm光入射后的电场大小分布。左图为600nm，右图为800nm。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
为了验证本发明阐述的设计方法所设计的片上波长路由结构的分光性能，本实施例公开一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，在COMSOL Multiphysics中建立如图1所示排列的结构，基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件以左下角为坐标原点，从上到下 、从左到右，每个矩形柱的长度、宽度及位置依次为：w1＝87.45nm，h1＝148.18nm，x1＝133.76nm，y1＝842.75nm； w2＝139.37nm，h2＝164.38nm，x2＝621.82nm，y2＝837.53nm；w3＝112.40nm， h3＝129.21nm，x3＝860.82nm，y3＝821.18nm；w4＝80.57nm，h4＝112.73nm， x4＝419.06nm，y4＝623.30nm；w5＝62.14nm，h5＝137.93nm，x5＝606.39nm， y5＝615.22nm；w6＝55.96nm，h6＝50.06nm，x6＝180.07nm，y6＝442.49nm；w7＝149.68nm，h7＝157.37nm，x7＝831.72nm，y7＝387.26nm；w8＝164.03nm， h8＝162.70nm，x8＝162.91nm，y8＝162.67nm；w9＝102.14nm，h9＝141.85nm， x9＝626.88nm，y9＝154.62nm；w10＝124.67nm，h10＝76.91nm，x10＝825.24nm， y10＝197.46nm。入射光由左侧中间部分正入射，上下分别有两个出射端口，上端为600nm光出射端口，下端为800nm光出射端口。
图2所示为器件工作波段为500nm至1000nm的透射光谱，透射峰的中心波长分别为λ＝600nm和λ＝800nm。O1和O2分别代表是上输出端口和下输出端口。由此可见，所述结构为不受经验约束的不规则结构，具有非常好的分光效果。
图3所示为用COMSOL Multiphysics分别模拟600nm和800nm的电场大小，可以明显的看出本发明所设计的超小型片上波长路由器件具有良好的分光性能。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，其特征在于：在正方形介质衬底上放置固定个数的小矩形，形成一种平面结构；正方形衬底和若干小矩形为两种折射率不同的材料；同时改变矩形的长度、宽度及位置，对器件结构进行优化，得到一个无序的基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，通过物理场仿真软件能够求得该器件的电磁场分布以及分光效果。
2.如权利要求1所述的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，其特征在于：所述衬底为介质，小矩形为金属。
3.如权利要求1所述的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，其特征在于：所述片上波长路由器件，能够实现1μm×1μm的超小尺寸结构，适用于大型光子集成。
4.如权利要求1所述的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，其特征在于：所述小矩形的最小尺寸不低于50nm。
5.如权利要求1所述的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，其特征在于：进行操作的工作波段不受限制；同时，能够改变出射端口的位置、长短，可根据需要实现的功能进行结构参数变化。
6.如权利要求1所述的一种基于平面矩形柱结构的片上波长路由器件，其特征在于：所述的物理场仿真软件为COMSOL Multiphysics软件。
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