CN112415655A - 一种混合等离子体同轴纳米光波导结构及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种混合等离子体同轴纳米光波导结构及设备，涉及纳米光通信技术领域，包括金属芯、包裹在所述金属芯外的光学非线性材料以及包裹在所述光学非线性材料外的金属包层；所述金属芯的截面为圆形，所述光学非线性材料和所述金属包层的截面为环形，本结构采用的材料价格便宜，加工技术成熟，具有良好的光学、电学和热学性能，利于提高集成光路的可靠性和稳定性，同时，材料对环境的污染小，便于回收利用。圆柱波导结构便于加工制造，也便于集成。本发明，性能优良，加工方便，价格低廉，适用面广，应用前景广阔。
Description
技术领域
本发明涉及纳米光通信技术领域，尤其是涉及一种混合等离子体同轴纳米光波导结构及设备。
背景技术
光子集成电路(Photonic Integrated Circuits，简称PICs)，也叫光学芯片，是目前先进计算领域研究的热点，是未来全光计算机的核心部件，如何实现在微纳尺度光信息的传输和操纵成为人们思考的主要问题。未来的新型光学芯片，必须具有尺寸小，运算快，价格低的要求，同时，必须与现有的电子器件互相兼容。到目前为止，基于硅片的电子集成电路技术已经十分成熟，可以实现微米尺度的电流传输，并且电子系统具有很强的非线性能力，便于实现复杂的逻辑运算。相比而言，光学器件的发展相对滞后。常规光学器件和系统尺寸较大，并最终受到光学衍射极限的限制，无法突破微米尺度。传统的光纤波导结构利用光的全反射原理，主要用于长范围高密度的信号传输。但是，通常的单模光纤纤芯直径为8μm～10μm，无法实现纳米尺度的光传输问题，并且传统光纤基于电介质材料，存在模式泄露问题，即信号丢失现象。
表面等离子体激元(Surface Plasmons，简称SPs)，是在一种存在于金属和介质交界面处的表面电磁波振荡，其特性介于电子和光子之间，以光学频率高速振荡。由于表面等离子体激元可以突破传统光学衍射的局限，实现光的近场放大和约束，因此它们提供了一种在纳米量级操纵光信号的方法。加州大学伯克利分校Xiang Zhang实验组在混合等离子体波导研究方面走在世界前列，其设计结构包括圆柱波导和平面衬底，并具有纳米间隙。他们的研究结果主要侧重于纳米结构的近场光学力场特性，用于纳米颗粒的捕获，以及纳米激光器的实现。斯坦福大学Jennifer Dionne课题组，在等离子体同轴纳米孔结构的研究中，也取得了一系列瞩目的成果，其结构包括银金属和二氧化硅间隙，应用领域也在于纳米颗粒的光学捕获和生物医学方面。
目前，对于纳米器件的研究大都集中在两个方面：金纳米天线和纳米孔的光学近场增强效应和硅波导结构的传输特性。金，具有很好的光学特性，但价格贵，加工成本高，目前仅在于实验室研究阶段，不利于大规模工业化生产。硅，在微电子领域具有举足轻重的作用，并且具有很强的三阶非线性光学特性，但在纳米量级的光学局限和放大方面，硅的特性却远不如金和银。不仅如此，硅无法在可见光下工作，在近红外波段，硅的双光子吸收非线性特性也比较明显，更重要的是，硅材料无法实现二阶光学非线性操作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种混合等离子体同轴纳米光波导结构及设备，目的在于实现未来全光光子芯片上，微纳尺度间的光信号和电信号传导问题，尤其关注的是环形光波信号。此种结构可以兼具传导电流和传输光线的功能，并且便于进行非线性光学运算。
第一方面，本发明提供的一种混合等离子体同轴纳米光波导结构，包括：
金属芯；
包裹在所述金属芯外的光学非线性材料；
包裹在所述光学非线性材料外的金属包层；
所述金属芯的截面为圆形，所述光学非线性材料和所述金属包层的截面为环形。
进一步的，所述金属芯和所述金属包层的材料为铜。
进一步的，所述光学非线性材料的材料为氮化铝。
进一步的，所述金属芯的直径为400至700nm。
进一步的，所述金属包层的直径为1至1.5μm。
进一步的，所述光学非线性材料的厚度为40至120nm。
进一步的，所述光学非线性材料的厚度为50nm或100nm。
第二方面，本发明还提供了一种电子设备，包括光学芯片和所述的混合等离子体同轴纳米光波导结构。
进一步的，所述混合等离子体同轴纳米光波导结构设置于所述光学芯片内部；
或者所述混合等离子体同轴纳米光波导结构设置于多个所述光学芯片之间。
进一步的，所述光学芯片输出的光波波长为1550nm。
本发明提供的一种混合等离子体同轴纳米光波导结构，同时实现在一个波导结构中纳米尺度环形光波模式局限，圆形和环形电流传导，和非线性光学调制问题。这种波导结构可以实现微纳光学芯片间和芯片内数据的传输问题。通过控制介质氮化铝薄层的厚度，可以有效地控制环形光场的模式分布，实现不同的逻辑非线性运算。材料方面，本结构采用的材料价格便宜，加工技术成熟，具有良好的光学、电学和热学性能，利于提高集成光路的可靠性和稳定性，同时，材料对环境的污染小，便于回收利用。圆柱波导结构便于加工制造，也便于集成。本发明，性能优良，加工方便，价格低廉，适用面广，应用前景广阔。
相应地，本发明实施例提供的一种电子设备，也同样具有上述技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的混合等离子体同轴纳米光波导结构的横截面示意图；
图2为本发明实施例提供的混合等离子体同轴纳米光波导零阶光场模式示意图；
图3为本发明实施例提供的混合等离子体同轴纳米光波导高阶光场模式示意图；
图4为本发明实施例提供的混合光波导零阶光场有效折射率实部和虚部变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。
本发明实施例中所提到的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括其他没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
请参阅图1，本发明实施例提供的一种混合等离子体同轴纳米光波导结构，包括：
金属芯，金属芯的直径为400至700nm，金属芯的截面为圆形，光学非线性材料和金属包层的截面为环形；
包裹在金属芯外的光学非线性材料，光学非线性材料的材料为氮化铝，光学非线性材料的厚度为40至120nm，光学非线性材料的厚度为50nm或100nm；
包裹在光学非线性材料外的金属包层，金属芯和金属包层的材料为铜，金属包层的直径为1至1.5μm。
在图1中，内部铜芯和外部铜包层可以在微纳尺度传导电流，中间的环形氮化铝可以传导光波模式。在不同的激发条件下，本混合光波导的不同光波模式可以被激发以及传输。不仅如此，由于表面等离子激元的激发，在氮化铝-铜界面上形成表面等离子体，将光场模式约束在氮化铝间隙中，光波沿导线传播具有极低的传输损耗，由于间隙厚度在纳米量级，就会产生显著的光场放大效应和局限效应。由于氮化铝具有较高的二阶和三阶非线性光学极化率，因此很容易在小范围内形成强烈的非线性现象，便于进行光学逻辑运算。而且本器件采用的材料便于集成和加工制造，可应用于构建各类光子器件，也便于集成到已有的电子集成电路中。
另外，本发明还提供了一种电子设备，包括光学芯片和的混合等离子体同轴纳米光波导结构。
同时，混合等离子体同轴纳米光波导结构设置于光学芯片内部；
或者混合等离子体同轴纳米光波导结构设置于多个光学芯片之间。
另外，光学芯片输出的光波波长为1550nm。
在本实施例中，选定的光波信号为光纤的通信波段，波长为1550nm，整个波导结构置于空气中，空气的折射率为1。在这个波长，铜的折射率为0.71576+i*10.655，氮化铝的折射率为2.12；
同时，在本实例中，铜芯直径d＝500nm，铜包层直径D＝1.2μm，氮化铝厚度取值在t＝50nm和100nm之间。实际加工中，氮化铝层厚度根据化学沉积过程可以适时调整。
本实例使用有限元方法对上述波导结构进行模拟仿真，计算得到1550nm波长处光场模场分布及模式传播特性；
如图2和图3所示，图2和图3是本发明的混合等离子体同轴纳米光波导光场模拟仿真示意图。由图可见，本结构具有纳米尺度的模场限制能力和明显的场增强效应，可以传输不同的光学模式。图2是当氮化铝层厚度为50nm和100nm所激发的基模模场分布示意图，可以看到光场能量都被限制在氮化铝的狭缝纳米层中。这两种模式所对应的等效模场折射率分别为2.9883-i*0.05588和2.6017-i*0.032811。图3是当氮化铝层厚度为50nm时，本结构所激发的高阶模模场分布示意图，可以看到光场能量对称分布于氮化铝的纳米层中。这三种模式所对应的等效模场折射率分别为2.8483-i*0.058399，2.3808-i*0.069208和1.2733-i*0.1283。
另外，图4是传输光信号的波长为1550nm时，该混合等离子体同轴纳米光波导内传输的光学基模模式的有效折射率的实部和虚部随氮化铝环形间隙厚度的变化曲线。由图可见，有效折射率的实部和虚部均随氮化铝层厚度的增大而减小。
同时，模式传输距离L定义为任一界面上电场强度衰减为起始值l/e时的传播距离，其表达式为：
其中Im(neff)为模式有效折射率的虚部，λ为传输光信号的波长。计算表明，图2对应的两组基模的传输距离分别为2.2μm和3.76μm，均在微米量级。
氮化铝是一种非线性光学材料，在本结构中，非线性光学效应可以发生在纳米尺度。由于光和氮化铝的相互作用，氮化铝的折射率根据光强变化，表达式为n＝n0+n2I，其中n0为材料的线性折射率(常数)，n2为材料的非线性折射系数，I为入射光强。由于氮化铝的n2较大，在氮化铝薄层中，光波空间分布存在不同的模式，同时，存在光场放大效应，因此，n2I项显著增强，材料的折射率根据入射光强的强度和模式有显著的数值和分布的改变，可以进行非线性光学操作，实现光学逻辑运算。
综上所述，该混合等离子体同轴纳米光波导结构，同时实现在一个波导结构中纳米尺度环形光波模式局限，圆形和环形电流传导，和非线性光学调制问题。这种波导结构可以实现微纳光学芯片间和芯片内数据的传输问题。通过控制介质氮化铝薄层的厚度，可以有效地控制环形光场的模式分布，实现不同的逻辑非线性运算。材料方面，本结构采用的材料价格便宜，加工技术成熟，具有良好的光学、电学和热学性能，利于提高集成光路的可靠性和稳定性，同时，材料对环境的污染小，便于回收利用。圆柱波导结构便于加工制造，也便于集成。本发明，性能优良，加工方便，价格低廉，适用面广，应用前景广阔。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释，此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种混合等离子体同轴纳米光波导结构，其特征在于，包括：
金属芯；
包裹在所述金属芯外的光学非线性材料；
包裹在所述光学非线性材料外的金属包层；
所述金属芯的截面为圆形，所述光学非线性材料和所述金属包层的截面为环形。
2.根据权利要求1所述的混合等离子体同轴纳米光波导结构，其特征在于，所述金属芯和所述金属包层的材料为铜。
3.根据权利要求1所述的混合等离子体同轴纳米光波导结构，其特征在于，所述光学非线性材料的材料为氮化铝。
4.根据权利要求1所述的混合等离子体同轴纳米光波导结构，其特征在于，所述金属芯的直径为400至700nm。
5.根据权利要求1所述的混合等离子体同轴纳米光波导结构，其特征在于，所述金属包层的直径为1至1.5μm。
6.根据权利要求1所述的混合等离子体同轴纳米光波导结构，其特征在于，所述光学非线性材料的厚度为40至120nm。
7.根据权利要求6所述的混合等离子体同轴纳米光波导结构，其特征在于，所述光学非线性材料的厚度为50nm或100nm。
8.一种电子设备，其特征在于，包括光学芯片和如权利要求1至7任一项所述的混合等离子体同轴纳米光波导结构。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其特征在于，所述混合等离子体同轴纳米光波导结构设置于所述光学芯片内部；
或者所述混合等离子体同轴纳米光波导结构设置于多个所述光学芯片之间。
10.根据权利要求8所述的电子设备，其特征在于，所述光学芯片输出的光波波长为1550nm。
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- 2020-11-12 CN CN202011260315.1A patent/CN112415655B/zh active Active
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