CN110196468A - 一种基于非线性微腔耦合系统的全光二极管结构 - Google Patents

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王纪俊
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Abstract

本发明涉及二极管技术领域，具体地说，是一种基于非线性微腔耦合系统的全光二极管结构，在非线性布拉格(Bragg)微腔上镀一层金属薄膜，利用金属等离子体极化效应和布拉格微腔模式的相互作用，形成一个耦合系统，不仅可以产生高透射率的微腔模式和双稳态。单层金属薄膜产生的表面等离子体和微腔模式的耦合改变了结构内部电磁场的分布，并使场的分布依赖于光波的入射方向，从而实现了光的单向传输。该设计的结构兼顾了透射率和消光比两个因素，还可以通过改变金属厚度进行精确调制正向传输率和消光比。

Description

一种基于非线性微腔耦合系统的全光二极管结构
技术领域
本发明涉及二极管技术领域，具体地说，是一种基于非线性微腔耦合系统 的全光二极管结构。
背景技术
全光二极管类似于电子二极管在光通信和信息处理中有着重要的应用。为 实现全光二极管的功能，研究人员进行了很多设计工作，包括把磁光材料、液 晶、非线性材料以及各向异性材料放入光子微结构中，实现光的单向传输。这 些研究对全光二极管的设计有着重要价值，但是它们很难同时实现高的传输率 和大的消光比。
有研究者设计了一维复合结构，它是由具有非线性效应金属薄膜和一维光 子晶体组成。该结构实现了光的单向传输，且获得了高的消光比0.984。但该结 构的设计也有不足之处，就是它的正向传输率只能达到42％。一般情况下，高 的传输率需要对称结构，而光波的单向传输需要非对称结构。因此很难同时实 现高的传输率和大的消光比。为了解决这个矛盾，许多研究者做出了各种设 计，但是所有这些设计都比较复杂，例如准周期的多层结构及非对称微腔结 构。一个高效的全光二极管不仅要有大的消光比而且要具有高的正向传输率。 另外在实际应用中器件的性能参数最好能够调节。但到目前为止，一个高效的且性能参数能够调节的全光二极管还没有实现。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明披露了一种高效的且性能参数能够调节的 全光二极管，具体技术方案如下：
一种基于非线性微腔耦合系统的全光二极管结构，在非线性布拉格 (Bragg)微腔上镀一层金属薄膜，利用金属等离子体极化效应和布拉格微腔模 式的相互作用，形成一个耦合系统。该结构不仅可以产生高透射率的微腔模式 和双稳态，单层金属薄膜产生的表面等离子体和微腔模式的耦合还改变了结构 内部电磁场的分布，并使场的分布依赖于光波的入射方向，从而实现了光的单 向传输。设计的结构兼顾了透射率和消光比两个因素，可以通过改变微腔和金 属膜厚度来精确控制导通方向和性能参数，且这种全光二极管具有对金属损耗 鲁棒性性能。
本发明的进一步改进，本设计的层状结构模型表示为(AB)nC(BA)nM。C层 为微腔，位于两个对称的布拉格(Bragg)反射镜(AB)n和(BA)n之间，M层代 表金属薄膜。A、B层的介电常数和厚度分别表示为εA、dA和εB、dB，金属层 的介电常数和厚度表示为εm、dm。C层材料与A相同但厚度不同。金属层材料 的介电常数表示为Drude模型：这里ωep是金属等离 子体频率，τ是阻尼系数，代表金属损耗。当ω＜ωep时的εm实部是负的，从而 光波在金属层内是消逝的。但当光波波长大于金属厚度时，光波电磁场能量能 穿透金属进入结构内部，在合适的条件下产生表面等离子体极化与微腔模式的 耦合。
本发明的进一步改进，介质层A和B均为Kerr型非线性材料，它们的折 射率分别表示为nA＝n0A+n1I(z)和nB＝n0B+n2I(z)，n0A和n0B是线性折射率， n1和n2是非线性系数，I(z)是与位置有关的光强。
虽然金属层减少了少量的透射率(从1到9.5)，但却导致和入射方向相关 的场强分布。不同的场强分布归因于金属等离子体效应导致金属介电常数为 负，光波在金属表面产生反射。腔模的产生是由于微腔中的光波在左右两个方 向的Bragg反射镜(AB)6和(BA)6之间产生反射，从而产生共振隧穿效应。对左 方向入射，光波先进入微腔，然后在金属表面反射，因此微腔中的光场必须积 累更多的能量来穿过金属。但对右方向入射的光波，穿过金属层的能量可从光 源处获取，因此微腔内部共振的能量较小，从而引起整个结构的场强分布也较 小。
当入射电场强度增加，微腔光学厚度也增加，共振模式频率向低频移动。 如果选择工作频率略小于0.9978但仍处于带隙之中，光波在起初低能量入射时 还是被反射，随着入射能量的增加，共振模式频率和工作频率重合，导致透射 率的跃变，从低透射率突然变为高透射率，即从光截止态变为导通态，从而出 现光双稳现象。因为缺陷内部场强的分布与光入射方向有关，左方向入射导通 的能量临界值要小于右方向入射导通的能量临界值。所以在非线性情况下，上 述结构出现与入射方向有关的传输结果。
本发明的有益效果：本发明披露的基于非线性微腔耦合系统的全光二极管 结构不仅可以产生高透射率的微腔模式和双稳态。单层金属薄膜产生的表面等 离子体和微腔模式的耦合改变了结构内部电磁场的分布，并使场的分布依赖于 光波的入射方向，从而实现了光的单向传输。该设计的结构兼顾了透射率和消 光比两个因素，还可以通过改变金属厚度进行精确调制正向传输率和消光比。
附图说明
图1是平面多层结构(AB)nC(BA)nM示意图。
图2是dC＝2dA的(AB)6C(BA)6M结构(实线)和(AB)6C(BA)6结构(虚 线)的线性传输谱。
图3是两个微腔层厚的(AB)6C(BA)6M结构的线性传输谱。
图4是ω0与两个入射方向一致、谐振腔频率ω＝0.9978的(AB)6C(BA)6M 结构的电场分布谱。
图5是基于两个入射方向和dC＝2dA的(AB)6C(BA)6M结构非线性效应的透 射率对输入光强的依赖程度变化曲线。
图6是基于两个入射方向和dC＝4dA的(AB)6C(BA)6M结构非线性效应的透 射率对输入光强的依赖程度变化曲线。
图7是基于ω＝1.09ω0和dC＝3dA的(AB)6C(BA)6M结构的非线性效应的单 向光传输谱。
图8是导通的临界入射强度Ith、两个入射方向滞回线的间隔δ随dm的变 化谱。
图9是正向透射率T、消光比C随dm的变化谱。
图10是实施例中τ＝1×1014s-1的单向光传输谱。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详 细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
实施例：一种基于非线性微腔耦合系统的全光二极管结构，在非线性布拉 格(Bragg)微腔上镀一层金属薄膜，利用金属等离子体极化效应和布拉格微腔 模式的相互作用，形成一个耦合系统，在本系统中，层状结构模型表示为 (AB)nC(BA)nM。C层为微腔，位于两个对称的布拉格(Bragg)反射镜(AB)n和 (BA)n之间，M层代表金属薄膜，如图1所示。
进一步地，介质层A和B均为Kerr型非线性材料，它们的折射率分别表 示为nA＝n0A+n1I(z)和nB＝n0B+n2I(z)，n0A和n0B是线性折射率，n1和n2是非 线性系数，I(z)是与位置有关的光强。A、B层的介电常数和厚度分别表示为 εA、dA和εB、dB，金属层的介电常数和厚度表示为εm、dm。C层材料与A相 同但厚度不同。金属层材料的介电常数表示为Drude模型：
这里ωep是金属等离子体频率，τ是阻尼系数，代表 金属损耗。当ω＜ωep时的εm实部是负的，从而光波在金属层内是消逝的。但当 光波波长大于金属厚度时，光波电磁场能量能穿透金属进入结构内部，在合适 的条件下产生表面等离子体极化与微腔模式的耦合。
设dm＝300nm、dA＝230nm、dB＝155nm，层A、B的线性折射率分别为n0A＝1.55 和n0B＝2.3，则dC＝2dA的(AB)6C(BA)6M结构和(AB)6C(BA)6无金属层结构的线 性传输谱比较，见图2。对无金属的对称结构(AB)6C(BA)6和dC＝2dA，微腔基模 对应完美透射峰，且正好位于第一个带隙的中心(ω＝ω0)，透射谱也呈对称分布。 对有金属的非对称结构(AB)6C(BA)6M和dC＝2dA，微腔基模对应的透射峰峰值略 小于1(T＝0.95)，且偏离带隙中心(ω＝0.998ω0)，同时谱的对称性也被破坏。在 结构(AB)6C(BA)6M中存在微腔模式和Tamm等离子体激元的耦合，正是这种耦 合使结构的传输特征发生变化。对dC＝4dA的非对称结构，微腔基模的位置仍然 位于带隙中心附近，但透射率小于1；对dC＝3dA的非对称结构，微腔基模变成一高一低的两个透射峰，且左边的透射峰透射率明显减小，在0.6-0.7之间，如 图3所示。对图2的结构基模的场分布对应两个入射方向分别进行计算和描绘， 结果在图4。图中E0为入射场强的大小。对应两个入射方向的场分布均具有腔模 共振的特征，场强最大值位于缺陷层C内，但是左方向入射的场值明显要大于 右方向入射的场值。从而可以发现虽然金属层减少了少量的透射率(从1到9.5)， 但却导致和入射方向相关的场强分布。
根据图2与图3的结构，选择dC＝2dA和工作频率ω/ω0＝0.985，则透射 率随入射强度的变化曲线如图5、图6所示。该曲线形成双稳态的滞回线。因 为传输结果与入射方向有关，所以出现两条对应两个方向的滞回线。左方向入 射导通的能量临界值为右方向入射导通的能量临界值为 其值均在图5、图6中用箭头表示。两个临界值的间隔表示为 从图5可以看出，左方向入射的滞回线位于右方向 入射的滞回线的前面，在处，导通态的透射率TL＝0.9，而对 应右方向入射的透射率TR＝0.13，因此该结构的导通方向是左入射方向。此时 可求得消光比C＝(TL-TR)/(TL+TR)＝0.747。设dC＝4dA，该结构的线性透射谱如 图3所示，腔模位于0.9978ω0，选择工作频率ω＝0.985ω0，传输属性如图6 所示。左方向入射导通的能量临界值为小于对应dC＝2dA的 值，该处透射率TL＝0.90；同样的入射强度，右方向入射的透射率TR＝0.1，结 果得到消光比C＝(TL-TR)/(TL+TR)＝0.8，该值大于对应dC＝2dA的值。两个临界 值的间隔为小于前面的29.9MW/cm2。因此结构的改变 在使某些性能参数变好的同时，也会使另一些参数变差。
当取dC＝3dA时，传输结果发生变化。从图3发现微腔模式分裂成两个共振 峰，右边的位于1.13ω0透射率为1。该透射峰是完美透射。选择工作频率 ω＝1.09ω0，略小于1.13ω0。与方向有关的传输结果见图7，和dC＝2dA和dC＝4dA的结果相反，右方向入射的滞回线位于左方向入射的滞回线的前面。 右方向入射导通的能量临界值为左方向入射导通的能量临界 值为两个临界值的间隔表示为此时 光二极管导通的方向正好反转。因此，可以通过改变微腔厚度来控制设计的二 极管导通方向。对当前的微腔结构，正向透射率T＝0.94，消光比C＝0.71。
全光二极管的性能依赖四个参数：正向透射率T、导通的临界入射强度Ith、消光比C和两个入射方向滞回线的间隔δ。可以通过改变金属厚度来调控全 光二极管的性能参数。在图6结构的基础上设置工作频率ω＝0.985ω0。图 8、图9显示四个参数随金属厚度dm的变化情况。当dm从200nm增加到400 nm时，和C的值单调增加，但是δ和T同时单调减小。因此金属厚度的增 加提高了消光比，但对其它三个性能参数不利。
考虑到金属材料的损耗效应。金属材料的损耗效应主要依赖于金属材料的 τ值和厚度。一般情况下τ值比金属等离子体频率ωep低一到二个数量级。选择 τ＝1×1014s-1。其它结构参数和入射频率和图5相同。计算得到的两个方向的 滞回线如图10所示。和没有损耗的结果进行比较，可以发现在该结构的全光二 极管中金属损耗的效应非常小。两个方向的滞回线的间隔δ＝39.4MW/cm2甚 至比无损耗时的29.9MW/cm2还要大。导通方向透射率T＝0.8，消光比 C＝0.73。因此即使在有损耗的情况下该结构仍然具有较好的全光二极管功能。 以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应 该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说 明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变 化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护 范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于非线性微腔耦合系统的全光二极管结构，其特征在于，在非线性布拉格微腔上镀一层金属薄膜，利用金属等离子体极化效应和布拉格微腔模式的相互作用，形成一个耦合系统。
2.根据权利要求1所述的基于非线性微腔耦合系统的全光二极管结构，其特征在于，该全光二极管结构层状结构模型表示为(AB)nC(BA)nM，其中，C层为微腔位于两个对称的布拉格反射镜(AB)n和(BA)n之间，M层代表金属薄膜。
3.根据权利要求2所述的基于非线性微腔耦合系统的全光二极管结构，其特征在于，A、B层的介电常数和厚度分别表示为εA、dA和εB、dB，金属层的介电常数和厚度表示为εm、dm，C层材料与A相同但厚度不同，金属层材料的介电常数表示为Drude模型：这里ωep是金属等离子体频率，τ是阻尼系数，代表金属损耗。
根据权利要求1-3任一项所述的基于非线性微腔耦合系统的全光二极管结构，其特征在于，介质层A和B均为Kerr型非线性材料，它们的折射率分别表示为nA＝n0A+n1I(z)和nB＝n0B+n2I(z)，n0A和n0B是线性折射率，n1和n2是非线性系数，I(z)是与位置有关的光强。
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