CN111290078A - 一种表面等离激元波长、偏振解复用器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表面等离激元波长、偏振解复用器件，包括表面等离激元耦合器、表面等离激元波导、表面等离激元探测器以及半导体衬底，其中表面等离激元耦合器由四个具有不同结构参数、排布方向的周期性光栅组成。器件利用表面等离激元耦合器对入射光波长、偏振态信息的识别能力，能够将入射光按照波长、偏振态信息耦合成表面等离激元信号，并使其进入表面等离激元波导进行传输，最终由表面等离激元探测器完成表面等离激元信号到电信号的转换，在微纳结构尺寸上实现光电解复用功能。本发明能够同时对波长和偏振态信息进行分辨，大幅提高了信息的传输带宽，在未来高速、高带宽的光电集成电路中具有很好的应用前景。

Description

一种表面等离激元波长、偏振解复用器件
技术领域
本发明涉及一种表面等离激元波长、偏振解复用器件，可用于高速、高带宽的片上光电互连。
背景技术
现代高速通信系统及计算机芯片对信息获取、处理和传输带宽提出了更高的要求。目前电子集成器件的发展已经进入瓶颈，互连线延迟、时钟歪斜、片上互连串扰、功耗等问题日趋严重。而光电集成电路尽管具有体积小、可靠性高、超高速、低噪声等优点，但在实际应用中，传统光电器件受到衍射极限的限制，难以与目前已较普及的纳米电子器件实现集成。
表面等离激元可以被限制在亚波长范围内，并且高速地传输信息(>100THz)，借此可以通过等离激元将纳米电子学的紧凑性与光学器件的高带宽特性相结合。目前，人们已经提出了各种各样的表面等离激元器件来构成微型化的光电集成电路，包括表面等离激元激发源、表面等离激元波导、调制器、探测器等。然而现有的表面等离激元器件的工作速度有限，严重阻碍了高带宽的光电互连的发展。
为了实现高带宽的表面等离激元功能元件，研究人员提出了将在传统光通信系统中广泛应用的多路复用技术应用于表面等离激元器件中。通过设计具有波长分辨或偏振敏感的金属微纳结构，相关研究实现了表面等离激元的定向激发、传输及路由等。尽管上述波长或偏振复用技术的应用能够在一定程度上提高等离激元器件的传输带宽，然而，将这两种复用技术同时应用于表面等离激元器件来进一步增加传输带宽的相关研究还很少。
发明内容
本发明针对现有表面等离激元器件传输带宽较低的问题，提出一种表面等离激元波长、偏振解复用器件，利用表面等离激元耦合器对入射光波长、偏振态信息的识别能力，能够将入射光按照波长、偏振态信息耦合成表面等离激元信号，使其在表面等离激元波导进行传输，并由表面等离激元探测器完成表面等离激元信号到电信号的转换，在微纳结构尺寸上实现光电解复用功能。将波分复用和偏分复用两种复用技术相结合，可以大幅提升表面等离激元器件的传输带宽。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种表面等离激元波长、偏振解复用器件，其特征在于：包括由多个具有不同结构参数、排布方向的周期性光栅构成的表面等离激元耦合器、多个表面等离激元波导、多个表面等离激元探测器以及半导体衬底；所述的波长、偏振解复用器件共有多个信道，每个信道各包含一个不同的周期性光栅、一个相同的表面等离激元波导以及一个相同的表面等离激元探测器；
进一步的，表面等离激元波长、偏振解复用器件的工作波段可以通过改变所述表面等离激元耦合器中周期性光栅的结构参数来调控，既可以在紫外-可见光波段，又可以在近红外通讯波段，所述表面等离激元耦合器中周期性光栅的结构参数包括光栅周期、占空比、高度等。
进一步的，表面等离激元波长、偏振解复用器件适用的偏振态可以通过改变所述表面等离激元耦合器中周期性光栅的排布方向来调节，所述表面等离激元耦合器中周期性光栅的不同排布方向为正交排布、正五边形排布、正六边形排布等。
进一步的，所述表面等离激元波导结构为条形波导、V型波导、楔形波导等。
进一步的，所述表面等离激元探测器既作为表面等离激元解耦结构，又作为表面等离激元信号-电信号转换结构，所述表面等离激元探测器结构为叉指电极结构；
进一步的，所述表面等离激元耦合器包含不同的周期性光栅数量对应所述表面等离激元解复用器件的信道数量，为4个及以上。
进一步的，所述半导体衬底材料的禁带宽度大于入射光的光子能量，所述半导体材料为硅、锗、铟镓砷等。
进一步的，所述表面等离激元耦合器、表面等离激元波导和表面等离激元探测器的材料为金、银、铝等，所述表面等离激元探测器中叉指电极结构与半导体衬底之间形成良好的金-半接触，为肖特基接触或欧姆接触。
有益效果：
1、基于传统光通信中广泛应用的多路复用技术，同时将波分复用和偏分复用两种复用技术应用到等离激元器件中，实现光电解复用功能，能够有效提高器件的传输带宽；
2、所述解复用器件将表面等离激元作为信号载体，能够有效结合纳米电子学的紧凑性与光学器件的高带宽特性，同时其输出信号为电信号，与光电集成电路中的电子元件相互兼容，有望成为高速、高带宽的光电集成电路的组件之一。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的表面等离激元波长、偏振解复用器件中表面等离激元耦合器的工作原理俯视图；
图3是本发明的表面等离激元波长、偏振解复用器件中表面等离激探测器工作原理剖面图；
图4为本发明实施例的结构示意图及外加电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示一种表面等离激元波长、偏振解复用器件，包括由多个具有不同结构参数、排布方向的周期性光栅1、2、3、4构成的表面等离激元耦合器、多个相同的表面等离激元波导5、多个相同的表面等离激元探测器6以及半导体衬底7；波长、偏振解复用器件共有多个信道，每个信道各包含一个周期性光栅、一个表面等离激元波导以及一个表面等离激元探测器。
在本发明中，表面等离激元波长、偏振解复用器件的工作波段可以通过改变表面等离激元耦合器中周期性光栅的结构参数，具体包括包括光栅周期、占空比、高度等来调控，既可以在紫外-可见光波段，又可以在近红外通讯波段。
在本发明中，表面等离激元波长、偏振解复用器件适用的偏振态可以通过改变所述表面等离激元耦合器中周期性光栅的排布方向来调节，包括正交排布、正五边形排布、正六边形排布等。
在本发明中，表面等离激元波导结构为条形波导、V型波导、楔形波导中的一种。
在本发明中，表面等离激元探测器结构为叉指电极结构，既作为表面等离激元解耦结构，又作为表面等离激元信号-电信号转换结构。
在本发明中，表面等离激元解复用器件的信道数量对应表面等离激元耦合器包含不同的周期性光栅数量，为4个及以上。
在本发明中，半导体衬底材料的禁带宽度大于入射光的光子能量，为硅、锗、铟镓砷等。
在本发明中，表面等离激元耦合器、表面等离激元波导和表面等离激元探测器的材料为金、银、铝等，表面等离激元探测器中叉指电极结构与半导体衬底之间形成良好的金-半接触，为肖特基接触或欧姆接触。
如图2所示，一种表面等离激元波长、偏振解复用器件的工作原理为：具有多重偏振态、波长信息的入射光照射到表面等离激元耦合器上，由于表面等离激元耦合器中各个周期性光栅1、2、3、4的结构参数和排布方向不同，每个周期性光栅只能补偿特定波长、特定偏振态的入射光的波矢，使得只有同时满足波长、偏振态条件的入射光才能够被耦合成在表面等离激元波导5上传输的表面等离激元。因此，表面等离激元耦合器可以将入射光依据偏振态和波长信息，将其耦合成在特定信道中传输的表面等离激元信号。如图3所示，当被激发的表面等离激元沿着表面等离激元波导5传输到波导末端时，由于波矢失配，表面等离激元将被表面等离激元探测器6的叉指电极结构重新解耦成自由空间的光，以光子的形式向外散射。其中一部分光子被散射进入空气中，另一部分被散射进入半导体衬底7中。由于半导体衬底7的材料禁带宽度大于入射光的光子能量，因此被散射进入半导体衬底7的光直接被硅基底吸收，从而形成电子-空穴对。当在表面等离激元探测器6的叉指电极结构上间隔地施加正负偏压时，所产生的电子-空穴对在外加电场的作用下能够被迅速分离，并被两端的叉指电极有效收集，从而产生光电流信号，实现波长、偏振的光电解复用功能。
实施例1：
如图4所示，为实现一种应用于1310、1550nm通讯波段的表面等离激元波长、偏振解复用器件，其结构包括4个正交排列的周期性光栅1、2、3、4，4个相同的条形表面等离激元波导5,4个都相同的表面等离激元探测器6，锗衬底7。所述周期性光栅1、4的周期为1520 nm，占空比为0.5，高度为100 nm，所述周期性光栅2、3的周期为1260 nm，占空比为0.5，高度为100nm。所述表面等离激元耦合器、表面等离激元波导5和表面等离激元探测器6的材料为金，所述表面等离激元探测器6中叉指电极结构与半导体衬底7之间形成的金-半接触为肖特基接触。所述表面等离激元波长、偏振解复用器的信道数量为4。
当具有不同线偏振方向的1310nm、1550nm的光垂直入射到表面等离激元耦合器上时，周期性光栅1,4分别耦合偏振方向平行于y轴，x轴的1550nm波长的入射光，周期性光栅2,3分别耦合偏振方向平行于x轴，y轴的1310nm波长的光，因而，表面等离激元耦合器将入射光根据偏振态和波长信息耦合成表面等离激元，并使其分别在对应的表面等离激元波导5中传输，当被激发的表面等离激元沿着表面等离激元波导5传输到波导末端时，由于波矢失配，表面等离激元将被表面等离激元探测器6的叉指电极结构重新解耦成自由空间的光，以光子的形式向外散射。其中一部分被散射进入锗衬底7中。由于锗衬底7的材料禁带宽度大于入射光的光子能量，因此被散射进入锗衬底7的光直接被硅基底吸收，从而形成电子-空穴对。当在表面等离激元探测器6的叉指电极结构上施加正负偏压时，所产生的电子-空穴对在外加电场的作用下能够被迅速分离，并被两端的叉指电极有效收集，从而产生光电流信号。通过对比分析4个表面等离激元探测器6所收集到的光电流信号，可以得到入射光中1310nm、1550nm波长和平行于x轴、y轴偏振态的各个分量，从而实现在1310、1550nm通讯波段的波长、偏振解复用功能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种表面等离激元波长、偏振解复用器件，其特征在于：包括由多个具有不同结构参数、排布方向的周期性光栅构成的表面等离激元耦合器、多个表面等离激元波导、多个表面等离激元探测器以及半导体衬底；所述的波长、偏振解复用器件共有多个信道，每个信道各包含一个不同的周期性光栅、一个相同的表面等离激元波导以及一个相同的表面等离激元探测器。
2.根据权利要求1所述的表面等离激元波长、偏振解复用器件，其特征在于：所述的解复用器件其工作波段通过改变所述表面等离激元耦合器中周期性光栅的结构参数来调控，其工作段包括紫外-可见光波段以及近红外通讯波段，所述表面等离激元耦合器中周期性光栅的结构参数包括光栅周期、占空比、高度。
3.根据权利要求1所述的表面等离激元波长、偏振解复用器件，其特征在于：所述的解复用器件适用的偏振态通过改变所述表面等离激元耦合器中周期性光栅的排布方向来调节，所述表面等离激元耦合器中周期性光栅的不同排布方向包括正交排布、正五边形排布、正六边形排布。
4.根据权利要求1所述的表面等离激元波长、偏振解复用器件，其特征在于：所述表面等离激元波导结构包括条形波导、V型波导、楔形波导。
5.根据权利要求1所述的表面等离激元波长、偏振解复用器件，其特征在于：所述表面等离激元探测器既作为表面等离激元解耦结构，又作为表面等离激元信号-电信号转换结构，所述表面等离激元探测器结构为叉指电极结构。
6.根据权利要求1所述的表面等离激元波长、偏振解复用器件，其特征在于：所述信道数量为4个及以上。
7.根据权利要求1所述的表面等离激元波长、偏振解复用器件，其特征在于：所述半导体衬底材料的禁带宽度大于入射光的光子能量，所述半导体材料包括硅、锗、铟镓砷。
8.根据权利要求1所述的表面等离激元波长、偏振解复用器件，其特征在于：所述表面等离激元耦合器、表面等离激元波导和表面等离激元探测器的材料包括金、银、铝，所述表面等离激元探测器中叉指电极结构与半导体衬底之间形成金-半接触，为肖特基接触或欧姆接触。
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