CN111175871B - 一种基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构，包括介质基片、若干个介质光栅和介质包裹层；所述的介质基片设置在介质光栅、介质包裹层的底部，用于支撑介质光栅、介质包裹层；所述的介质光栅上设有周期性且非对称的凹槽；所述的凹槽的中心不与介质光栅的中心位置相重合；若干个所述的介质光栅周期性排列设置；所述的介质包裹层覆盖在所述的介质光栅的四周；所述的介质基片的折射率小于介质光栅的折射率；所述的介质包裹层的折射率小于介质光栅的折射率。本发明在支持对称保护型连续束缚模式的亚波长光栅结构上，通过设置凹槽破坏介质光栅结构的对称性，因而介质光栅的谐振模式转为具有极高品质因子的近对称保护型连续束缚模式。

Description

一种基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构
技术领域
本发明涉及光学技术领域，更具体的，涉及一种基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构。
背景技术
对光进行选择性透射，反射和局域是研究光与物质相互作用的重要部分，依此设计的器件广泛应用于激光器，成像系统，光电探测，非线性效应增强和生物化学传感等领域。对于空间光场，传统的方法是利用多光束干涉来实现光的选择性透射和反射，但是透射或反射谱的品质因子较低，无法满足现如今的需求。近年来，随着对具有亚波长尺度的光学结构不断研究，人们发现微纳光学器件在操控光场方面具有独特的作用，能更有效地对光进行选择性透射，反射和局域。
常见的微纳光学器件是利用结构的共振效应来控制光场，例如利用光子晶体导模谐振，当光场入射到周期性介质微纳结构时，大部分能量被耦合到波导所支持的导播模式，因而光场被局域在结构中。该类型结构能产生带有较高品质因子的谐振峰。除此之外还有金属表面等离激元谐振，金属纳米结构的等离激元谐振能产生强的局域电场，并且谐振对结构所处环境的折射率变化极其敏感，因此可用于传感器。但是金属材料固有的损耗使得谐振峰的品质因子较低，限制了该器件的应用。理论上来说，利用结构的共振效应局域的光场处于带有损耗的谐振态，因此无法通过优化结构来突破其谐振峰的品质因子上限，同时难于保证响应光谱具有平坦的背景。
光子晶体的光学谐振模式根据频谱可分为三种包括导播模式、辐射模式和连续域束缚模式。导播模式和辐射模式品质因子低，而对于连续域束缚模式，耦合到辐射通道的光场相消干涉，从而使得辐射频域上某点频率的光被完美束缚在结构中，即该模式的品质因子趋于无穷。同时光子被局域在纳米尺度下的空间中，光能量密度显著增大，结构产生超强局域电场，这将大大增强光与物质之间的相互作用。因此这有利于在输入光功率较小的情况下，激发介质材料的非线性效应。光子晶体的连续束缚态可进一步分为对称保护型和非对称型连续束缚态，前者与器件结构的对称性密切相关，而后者与结构的尺寸有关。
基于对称保护型连续束缚态的光子晶体由于容易设计和制作，因此得到广泛研究。显然在大部分情况下如设计激光器和滤波器等并不希望光子被完全束缚在结构中，这类应用需要能支持带有极高但有限的品质因子的近连续束缚态模式。
目前在光子晶体中实现近对称保护型连续束缚态的方式主要有调整光场入射角度即改变光子动量和破坏结构对称性，利用光场入射角度来获取带有品质因子的谐振峰不利于实际应用，因此主流的方式是打破支持对称保护型连续束缚态的结构的对称性来实现近对称保护型连续束缚态。
发明内容
本发明为了解决如何打破支持对称保护型连续束缚态的结构的对称性来实现近对称保护型连续束缚态的问题，提供了一种基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构，其能支持近对称保护型连续束缚态，其实现了超窄带滤波和光场增强。
为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构，包括介质基片、若干个介质光栅和介质包裹层；
所述的介质基片设置在介质光栅、介质包裹层的底部，用于支撑介质光栅、介质包裹层；
所述的介质光栅上设有周期性且非对称的凹槽；所述的凹槽的中心不与介质光栅的中心位置相重合；若干个所述的介质光栅周期性排列设置；
所述的介质包裹层覆盖在所述的介质光栅的四周；
所述的介质基片的折射率小于介质光栅的折射率；
所述的介质包裹层的折射率小于介质光栅的折射率。
优选地，所述的凹槽设置在介质光栅的一侧，所述的凹槽的高度与介质光栅的高度相同。
进一步地，所述的介质光栅包括氮化硅、富硅氮化硅、硅和砷化镓。
再进一步地，所述的介质包裹层包括空气、二氧化硅、电子束光刻胶HSQ。
本发明的有益效果如下：
1.本发明在支持对称保护型连续束缚模式的亚波长光栅结构上，通过设置凹槽破坏介质光栅结构的对称性，因而介质光栅的谐振模式转为具有极高品质因子的近对称保护型连续束缚模式。
2.本发明所述的亚波长光栅结构设计简单，容易制作，并与COMS工艺兼容，具有宽平坦背景透射率、高品质因子、强局域电场和受光场入射角度影响小等优点，更适用于光学滤波、光学非线性效应增强、光放大器和激光器等领域。
附图说明
图1是实施例1所述的亚波长光栅结构的结构示意图。
图2是实施例1所述的亚波长光栅结构的透射谱。
图3是实施例1所述的亚波长光栅结构在缺陷宽度变化时的透射谱。
图4是实施例1所述的亚波长光栅结构在缺陷长度变化时的透射谱。
图5是实施例1所述的亚波长光栅结构在输入光场的入射角度变化时的透射谱。
图中，1-介质光栅、2-介质基片、3-介质包裹层、4-凹槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
实施例1
如图1所示，一种基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构，包括介质基片2、若干个介质光栅1和介质包裹层3；
所述的介质基片2设置在介质光栅1、介质包裹层3的底部，用于支撑介质光栅1、介质包裹层3；
所述的介质光栅1上设有周期性且非对称的凹槽4；所述的凹槽4的中心不与介质光栅1的中心位置相重合；若干个所述的介质光栅1周期性排列设置；
所述的介质包裹层4覆盖在所述的介质光栅的四周；
所述的介质基片2的折射率小于介质光栅1的折射率；
所述的介质包裹层3的折射率小于介质光栅1的折射率。
本实施例在支持对称保护型连续束缚模式的亚波长光栅结构上，通过设置凹槽破坏介质光栅结构的对称性，因而介质光栅的谐振模式转为具有极高品质因子的近对称保护型连续束缚模式。
在一个具体的实施例中，所述的凹槽4设置在介质光栅1的一侧，所述的凹槽4的高度与介质光栅1的高度相同。所述的凹槽4是指利用垂直刻蚀等手段处理未带缺陷的介质光栅所得到的。
在一个具体的实施例中，所述的介质基片2包括但不限于石英片等能支撑介质光栅和介质包裹层的介质材料。所述的介质包裹层3的材料包括但不限于空气、二氧化硅和电子束光刻胶HSQ等介质材料。
在一个具体的实施例中，所述的介质光栅1包括但不限于氮化硅、富硅氮化硅、硅和砷化镓等介质材料。
本实施例所述的介质光栅1的高度为H＝0.252λ，宽度为W＝0.302λ，其中所述的λ为输入光场的波长。若干个所述的介质光栅1沿着x方向周期性排列，其周期为P＝0.42λ。如图1所示，所述的凹槽4为矩形凹槽，其宽度为Fx＝W-W1＝0.028λ，长度为Fy＝0.329λ；所述的凹槽4沿着Y方向周期性排列，其周期为Pf＝0.560λ，所述的凹槽4的中心在X方向与介质光栅的中心位置相距W1/2。
在具体的实施例中，假设器件工作波长为λ＝1.550um，则介质光栅的参数依为：P＝0.651um，W＝0.468um，H＝0.390um，Fx＝0.043um，Fy＝0.510um,Pf＝0.868um。在实际应用中输入光场为在介质光栅周期方向矢量和垂直于介质光栅法线所组成的平面上振动的线偏振光，即令沿着XZ平面上振动的线偏振光正入射到所所述的亚波长光栅结构，所得的透射光谱如图2所示。本实施例可以通过优化所述的凹槽的长度和宽度，可按需要调节介质光栅的谐振峰品质因子和小幅度调节介质光栅的工作波长。而通过优化所述的介质光栅的高度、周期和占空比可大幅度调整介质光栅的工作波长。
从测试结果来看，所述的亚波长光栅结构在1.4um到1.7um波段内支持两种近对称保护型连续束缚态，在这里本实施例仅关注主谐振峰。显然所述的亚波长光栅结构具有超宽平坦背景透射率，并且主谐振峰的Q值最高可达13719。值得注意的是主谐振峰位置有细微变动，这主要是考虑到实际微纳加工的精度有限，因而对介质光栅部分参数进行近似处理，该问题可通过优化介质光栅参数来解决。
保持输入光场的入射角度不变，改变凹槽的宽度和长度，对介质光栅的透射谱进行测试，可以从图3和图4看到，通过优化凹槽的长度和宽度，可按需要调节结构的主谐振峰品质因子和小幅度调节结构工作波长。保持介质光栅参数不变，改变输入光场的入射角度，可以从图5看到，介质光栅的主谐振峰的品质因子受光场入射角度影响较小，这说明介质光栅对光场入射角度要求较小，即降低了器件的使用难度。
由于所设计的亚波长光栅结构可认为是一个具有高品质因子的谐振腔，因此可以利用增益介质如砷化镓等作为介质光栅的材料来制作表面激光器，或是利用结构的超高局域电场来研究氮化硅和硅等光学非线性效应。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构，其特征在于：包括介质基片、若干个介质光栅和介质包裹层；
所述的介质基片设置在介质光栅、介质包裹层的底部，用于支撑介质光栅、介质包裹层；
所述的介质光栅上设有周期性且非对称的凹槽；所述的凹槽的中心不与介质光栅的中心位置相重合；若干个所述的介质光栅周期性排列设置；
所述的介质包裹层覆盖在所述的介质光栅的四周；
所述的介质基片的折射率小于介质光栅的折射率；
所述的介质包裹层的折射率小于介质光栅的折射率；
所述的介质光栅的高度为H＝0.252λ，宽度为W＝0.302λ，其中所述的λ为输入光场的波长；若干个所述的介质光栅沿着x方向周期性排列，其周期为P＝0.42λ；所述的凹槽为矩形凹槽，其宽度为Fx＝W-W1＝0.028λ，长度为Fy＝0.329λ；所述的凹槽沿着Y方向周期性排列，其周期为Pf＝0.560λ，所述的凹槽的中心在X方向与介质光栅的中心位置相距W1/2。
2.根据权利要求1所述的基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构，其特征在于：所述的凹槽设置在介质光栅的一侧，所述的凹槽的高度与介质光栅的高度相同。
3.根据权利要求2所述的基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构，其特征在于：所述的介质光栅包括氮化硅、富硅氮化硅、硅和砷化镓。
4.根据权利要求3所述的基于近对称保护型连续束缚态的亚波长光栅结构，其特征在于：所述的介质包裹层包括空气、二氧化硅、电子束光刻胶HSQ。
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