CN113036386A - 基于简洁谐振腔的多模式激励结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于简洁谐振腔的多模式激励结构，包括金属层、谐振腔、输入通道和输出通道，所述谐振腔、输入通道和输出通道位于所述金属层内，所述输入通道和输出通道内填充有空气，所述谐振腔填充有空气或其他折射率材料，所述谐振腔的形状为长方形，所述输入通道的输入端开口，所述输出通道的输出端开口，所述输入通道的上端与所述谐振腔的上端对齐进行上端耦合，所述输出通道与所述谐振腔通过下面三种方式中的一种方式进行耦合：上端耦合；下端耦合；底端耦合。该结构基于MIM波导，具有较强的场束缚能力，能突破衍射极限；不再通过增加谐振腔数量来实现腔内多模式的激发，简化了结构，并且，可选波长范围广且易于调节。

Description

基于简洁谐振腔的多模式激励结构
技术领域
本发明涉及微纳光子技术领域，具体涉及一种基于简洁谐振腔的多模式激励结构。
背景技术
表面等离激元(SPPs)是一种沿金属和介质界面传播的电磁震荡波，并且在垂直界面的两个方向上以指数形式衰减，由于其能够打破传统光学的衍射极限，可通过SPPs与光场之间的相互作用实现在亚波长尺度对光进行调控，从而实现光电器件的超小化。相较于其他基于SPP的结构，金属-介质-金属(MIM)波导更加简洁，光场局域能力更强，且随着纳米加工技术的发展，这些基于MIM波导能实现多种功能器件的微纳结构将会在高度集成的片上系统中广泛应用。
MIM波导结构能否广泛应用取决于与之相耦合的谐振腔模式的激发情形。一般而言，只有低阶的对称模式容易激发，而高阶模式，尤其是反对称模式激发条件比较苛刻。这些导致了目前研究的MIM波导结构越来越复杂。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种基于简洁谐振腔的多模式激励结构和一种折射率传感器，用于解决现有技术中MIM波导结构过于复杂的问题。
本发明实施例的目的是提供一种基于简洁谐振腔的多模式激励结构，其特征在于，包括金属层、谐振腔、输入通道和输出通道，所述谐振腔、输入通道和输出通道位于所述金属层内，所述输入通道和输出通道内填充有空气，所述谐振腔填充有空气或其他折射率材料，所述谐振腔的形状为长方形，所述输入通道的输入端开口，所述输出通道的输出端开口，所述输入通道的上端与所述谐振腔的上端对齐进行上端耦合，所述输出通道与所述谐振腔通过下面三种方式中的一种方式进行耦合：所述输出通道与所述谐振腔的上端对齐进行上端耦合；所述输出通道与所述谐振腔的下端对齐进行下端耦合；输出通道的上端与所述谐振腔的底端进行底端耦合。
优选的，所述金属层为银质金属层。
优选的，所述谐振腔的长度和高度相同。
优选的，所述输入通道和所述输出通道的宽度相同。
优选的，所述输入通道和输出通道的宽度均为50nm，所述输入通道和输出通道与所述谐振腔的耦合距离固定均为10nm。
优选的，所述谐振腔的长度L为500nm～650nm，高度H为500nm～650 nm，覆盖波长范围700nm～1600nm。
本发明还提供了一种折射率传感器，包括上述基于简洁谐振腔的多模式激励结构。
本发明提出的基于简洁谐振腔的多模式激励结构和折射率传感器基于 MIM波导，具有较强的场束缚能力，能突破衍射极限；该结构不再通过增加谐振腔数量来实现腔内多模式的激发，简化了结构，并且，可选波长范围广且易于调节。根据本发明基于简洁谐振腔的多模式激励结构，通过改变输出通道和谐振腔的耦合位置可以实现不同的腔模式激发。特别地，当输出通道在上端与谐振腔耦合时，仅有反对称模式被激发；在下端位置耦合时，对称模式和反对称模式都可以被激发；在底端位置耦合时，更多的腔模式被激发；通过调节谐振腔的结构参数，可以很容易实现不同波长模式的输出，且一般为线型变化关系。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1a为输出通道与谐振腔上端耦合结构示意图。
图1b为输出通道与谐振腔下端耦合结构示意图。
图2a为对应图1a结构的透射谱。
图2b为对应图1b结构的透射谱。
图2c为对应图1a结构在透射峰λ＝865nm时的|Hz|2分布图。
图2d为对应图1b结构在透射峰λ＝1162nm时的|Hz|2分布图。
图2e为对应图1b结构，谐振腔填充材料折射率分别为1.00和1.01时的透射谱。
图3为输出通道与谐振腔底端耦合结构示意图。
图4a为对应图3结构，谐振腔参数L＝H同时变化时的透射谱。
图4b为对应图3结构在模式A(λ＝865nm)时的|Hz|2分布图。
图4c为对应图3结构在模式B(λ＝1132nm)时的|Hz|2分布图。
图4d为对应图3结构在谷模式(λ＝1152nm)时的|Hz|2分布图。
图4e为对应图3结构在模式C(λ＝1162nm)时的|Hz|2分布图。
图5a为对应图3结构在H＝500nm，L为500nm,550nm,600nm,650nm 时的透射谱；曲线表示各模式的变化规律。
图5b为对应图3结构在L＝500nm，H为500nm,550nm,600nm,650nm 时的透射谱；曲线表示各模式的变化规律。
附图标记说明：1-输入通道；2-输出通道；3-谐振腔；4-上端耦合；5- 金属(银)层；6-下端耦合；7-底端耦合。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
参考图1，本发明提供了一种基于简洁谐振腔的多模式激励结构，其特征在于，包括金属层、谐振腔、输入通道和输出通道，所述谐振腔、输入通道和输出通道位于所述金属层内，所述输入通道和输出通道内填充有空气，所述谐振腔填充有空气或其他折射率材料，所述谐振腔的形状为长方形，所述输入通道的输入端开口(例如，图1所示的输入通道的左端开口)，所述输出通道的输出端开口(例如，图1所示的输出通道的右端开口)，所述输入通道的上端与所述谐振腔的上端对齐进行上端耦合，所述输出通道与所述谐振腔通过下面三种方式中的一种方式进行耦合：所述输出通道与所述谐振腔的上端对齐进行上端耦合；所述输出通道与所述谐振腔的下端对齐进行下端耦合；输出通道的上端与所述谐振腔的底端进行底端耦合。
本发明提出的基于简洁谐振腔的多模式激励结构基于MIM波导，具有较强的场束缚能力，能突破衍射极限；该结构不再通过增加谐振腔数量来实现腔内多模式的激发，简化了结构，并且，可选波长范围广且易于调节。根据本发明基于简洁谐振腔的多模式激励结构，通过改变输出通道和谐振腔的耦合位置可以实现不同的腔模式激发。特别地，当输出通道在上端与谐振腔耦合时，仅有反对称模式被激发；在下端位置耦合时，对称模式和反对称模式都可以被激发；在底端位置耦合时，更多的腔模式被激发；通过调节谐振腔的结构参数，可以很容易实现不同波长模式的输出，且一般为线型变化关系。
根据一种优选实施方式，所述金属层为银质金属层，其色散关系用drude 模型表示：(ε∞,ωp,γ)＝(3.7,9.1eV,0.018eV)。MIM波导中只有TM波能激发 SPPs，因此当TM波从入射端口入射时，SPPs被激发。
优选的，所述谐振腔的长度和高度相同，所述输入通道和所述输出通道的宽度相同。
SPPs在金属中的趋肤深度一般为～50nm，因此，进一步优选的，所述输入通道和输出通道的宽度w均为50nm，所述输入通道和输出通道与所述谐振腔的耦合距离g固定均为10nm，从而可以保证大部分的能量耦合进谐振腔中，进而保证透射峰的强度。传输的SPPs可以耦合到谐振腔中，谐振腔中的SPPs会有不同的模式，可以通过不同的输出耦合方式表现出来。系统透射率的定义为T＝Poutput/Pinput；Pinput表示输入端口的功率，Poutput 表示输出端口的功率。
进一步优选的，所述谐振腔的长度L为500nm～650nm，高度H为500 nm～650nm，覆盖波长范围700nm～1600nm。
下面详细描述根据本发明的两个优选实施例。
实施例一
如图1所示，输入通道和输出通道均与谐振腔为上端耦合的结构。该结构中谐振腔内填充材料折射率n＝1.00。图2a为其透射谱，此时只有一个透射峰λ＝865nm。图2c为该峰位置处的磁场模式分布图，从中可以看出，这是一个典型的反对称模式。谐振腔与输出通道发生下端耦合时，结构如图1b，其透射谱如图2b。通过对比可以看出，除了原来位置处的透射峰，λ＝865nm 之外，在λ＝1162nm处还有一个透射峰。图2d为其磁场模式分布图，从中可以看出SPPs能量集中在谐振腔的对角中，我们称之为角模式。以上两种结构体系可以用作带通滤波器，光开关器件以及折射率传感器等。这里验证其在折射率传感器方面的应用指标：灵敏度。灵敏度定义为单位折射率改变时，共振峰的移动大小，单位为nm/RIU。以图1b结构为例，当其谐振腔中填充材料折射率发生改变时，其透射谱变化规律如图2e。此时折射率分别为 n＝1.00和n＝1.01，对应不同模式的折射率传感器灵敏度分别为：反对称模式800nm/RIU，角模式1100nm/RIU。
为进一步激发单个谐振腔的其他模式，我们在实施例二中对结构作了改进。
实施例二
如图3所示，此时输入通道仍与谐振腔发生上端耦合，而输出通道和谐振腔发生底端耦合。图4a给出了L＝H同时变化时，图3所示结构的透射谱变化情形，图4a插图中给出了各模式与L＝H的关系图。从中可以看出，新结构体系共激发四种不同的腔模式，且每一个腔模式与L＝H成正比变化，为实现特定波长选择提供了参考。图4b-e分别给出了每一个模式对应的磁场模式分布情况，此时L＝H＝500nm。四种模式分别对应：模式A，λ＝865nm，为反对称模式，保持了之前结构的规律；模式B，λ＝1132nm，为左右对称模式；谷模式，λ＝1152nm，为角模式，与之前角模式呈90度变化；模式C，λ＝1162nm，为上下对称模式。相较之前更多的腔模式被激发，其应用也会更加广泛。图5a和5b为不同腔模式随着单一参数变化时的规律。其中图5a 为H＝500nm，L间隔50nm，从500nm到650nm变化时的情形。此时只有模式C不变，其他模式均线型变化。图5b为L＝500nm，H间隔50nm，从 500nm到650nm变化时的情形。此时只有模式B不变，其他模式均线型变化。新的模式就会产生新的应用，比如800nm～1000nm处为典型的Fano线型，由反对称模式和对称模式耦合产生。Fano共振现象在折射率传感，全光开关等方面应用广泛。
本发明中所有的计算结果均是基于有限元方法完成的。
另一方面，本发明还提供了一种折射率传感器，该折射率传感器包括上述基于简洁谐振腔的多模式激励结构。
本发明提出的基于简洁谐振腔的多模式激励结构和折射率传感器，能够实现不同的腔模式激发，尤其是反对称模式的激发，比之前的结构体系都要简洁。除此之外，系统的透过率高，可选波段范围广，且模式变化与结构参数呈简单的正比关系，易于选择。本发明的结构在很多方面都有比较重要的应用，比如滤波器，传感器，全光开关等纳米光子学系统。
需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种基于简洁谐振腔的多模式激励结构，其特征在于，包括金属层、谐振腔、输入通道和输出通道，所述谐振腔、输入通道和输出通道位于所述金属层内，所述输入通道和输出通道内填充有空气，所述谐振腔填充有空气或其他折射率材料，所述谐振腔的形状为长方形，所述输入通道的输入端开口，所述输出通道的输出端开口，所述输入通道的上端与所述谐振腔的上端对齐进行上端耦合，所述输出通道与所述谐振腔通过下面三种方式中的一种方式进行耦合：所述输出通道与所述谐振腔的上端对齐进行上端耦合；所述输出通道与所述谐振腔的下端对齐进行下端耦合；输出通道的上端与所述谐振腔的底端进行底端耦合。
2.根据权利要求1所述的基于简洁谐振腔的多模式激励结构，其特征在于，所述金属层为银质金属层。
3.根据权利要求1所述的基于简洁谐振腔的多模式激励结构，其特征在于，所述谐振腔的长度和高度相同。
4.根据权利要求1所述的基于简洁谐振腔的多模式激励结构，其特征在于，所述输入通道和所述输出通道的宽度相同。
5.根据权利要求4所述的基于简洁谐振腔的多模式激励结构，其特征在于，所述输入通道和输出通道的宽度均为50nm，所述输入通道和输出通道与所述谐振腔的耦合距离固定均为10nm。
6.根据权利要求1所述的基于简洁谐振腔的多模式激励结构，其特征在于，所述谐振腔的长度L为500nm～650nm，高度H为500nm～650nm，覆盖波长范围700nm～1600nm。
7.一种折射率传感器，其特征在于：包括如权利要求1-6中任一项所述的基于简洁谐振腔的多模式激励结构。
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