CN114545554A - 一种基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，通过将二维能谷光子晶体的边界态模式与金属表面等离激元的共振模式相结合，构造出微纳尺度的混合光学模式，解决了可调控性与拓扑鲁棒性二者的矛盾，其中，边界态模式可以控制耦合器的分光比，而金属微纳光学腔能够控制输出端是否有光输出，从而实现了可控开关且分束比动态可调的光耦合器，提高了能谷光子晶体阵列波导的调控自由度。该动态可调控拓扑光子耦合器可以用于集成光电子芯片，作为光电信息处理的重要平台。

Description

一种基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦 合器

技术领域

本发明属于拓扑光子学与集成光子学领域，涉及一种基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，具体涉及一种适用于可见光波段，利用二维能谷光子晶体阵列与金属纳米颗粒光学腔的复合结构，同时实现任意分束比光耦合与可控开关功能的新型光学器件。

背景技术

随着芯片上光器件小型化、集成化的趋势，在微纳尺度上对光的传输进行有效调控广受关注，由于超小的模式体积、光场可调性强等特性，微纳光子结构在集成光电子学领域展现出巨大优势。

能谷光子晶体是微纳光子学领域的重要平台，其独特的能带结构有利于光场调制，频率位于光子晶体带隙中的光无法传输，会被限制在边界成为边界态波导，其优点是具有拓扑保护性质，能够展现出强鲁棒性。因此以能谷光子晶体为基础的光学器件性能得以显著提升，在芯片上集成光学器件领域有着广阔的应用前景。

表面等离激元是沿金属与介质表面传输的一种光学模式，能将光场限制在很小的范围内，突破衍射极限，产生亚波长尺度的局域场增强，在增强光与物质相互作用、分子探测、太阳能电池、生物传感领域应用广泛。

目前还没有人将二维能谷光子晶体的边界态模式与金属表面等离激元的共振模式相结合，构造出微纳尺度的混合光学模式。现有技术中，只能单独对二维能谷光子晶体的分束比进行调控，存在无法控制是否有输出光的问题，对于耦合器的调控自由度还比较低。

发明内容

针对目前存在的能谷光子晶体器件调控自由度较低的问题，本发明的目的是提供一种具有开关特性的光学耦合器，解决了微纳尺度光耦合器调控自由度较低的问题。

为实现上述技术目的，本发明提供了一种基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，通过本发明可以增加二维能谷光子晶体阵列的调控自由度，在实现任意分光比的光耦合的同时，具备光开关的功能。本发明为微纳尺度上光的任意调控提供了新思路，通过调节结构尺寸，还可适配于可见光之外的波段，能够应用于光通信、新型集成光学芯片等场景。

本发明实现可控开关光耦合器的原理是：利用二维能谷光子晶体，构造微纳尺度边界态模式，参与到光耦合器的两路耦合，实现任意分光比光耦合器；利用金属颗粒的表面等离激元模式，构造微纳尺度光学腔，其共振与否能够调控光耦合器输出端是否有光信号，起到了光开关的作用。

将入射光波长调至光子晶体带隙处，激发二维能谷光子晶体的边界态模式，通过改变入射光频率，光耦合器可以处于开和关两种工作状态：

工作状态一：开态。光波长不在金属纳米颗粒的共振范围，无法激发金属表面的等离激元模式，边界态波导不受金属纳米颗粒影响，输出波导有光信号。而对于此范围内不同的波长，两个输出端的分光比是不同的，实现了分光比任意可调的光耦合。

工作状态二：关态。光波长处于金属纳米颗粒的共振范围，此时激发金属表面的等离激元模式，边界态波导中的大量能量被金属纳米颗粒吸收，此时输出波导中几乎探测不到光信号。

本发明的技术方案如下：一种基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，包括硅基衬底，以及在硅基衬底上打孔形成的二维能谷光子晶体阵列，所述二维能谷光子晶体阵列被相互平行的第一分界线和第二分界线划分为三个区域：第一区域、第二区域和第三区域；所述二维能谷光子晶体阵列由第一类圆孔和第二类圆孔组成，其中，第一类圆孔的半径大于第二类圆孔的半径，第一类圆孔和第二类圆孔分别呈三角晶格交错设置，构成正六边形基本单元，即第一类圆孔和第二类圆孔相间排列在正六边形的六个顶点处；在第一区域和第三区域内，正六边形基本单元中圆孔排列方式相同，而第二区域内的正六边形基本单元中圆孔排列方式与第一区域、第三区域相反；第二区域内仅含有三排第一类圆孔和两排第二类圆孔，且在第一区域与第二区域的交界处和第二区域与第三区域的交界处，第一类圆孔相邻排列；在第二区域的中心处设置一矩形孔，在矩形孔中放置一胶囊形金属纳米颗粒，矩形孔的长边与第一分界线、第二分界线平行，胶囊形金属纳米颗粒的中心长轴与矩形孔的短边平行；在第一分界线和第二分界线的一端设有两条输入波导，另一端设有两条输出波导。

在本发明的可控开关光耦合器中，所述硅基衬底上分布有一个矩形孔和多个圆形孔，所述圆形孔包括两类：半径较大的第一类圆孔和半径较小的第二类圆孔，矩形孔的长边应大于所述胶囊形金属纳米颗粒中部圆柱的直径，短边应大于所述胶囊形金属纳米颗粒中心长轴的长度。优选的，矩形孔的长边为700～900 nm，短边为200～400 nm，而第一类圆孔的半径为40～50 nm，第二类圆孔的半径为20～40 nm；圆孔构成的三角晶格的晶格常数为200～220 nm。

进一步的，所述第一、第二和第三区域内圆孔构成的三角晶格的晶格常数相同，第一区域和第二区域内的第一类圆孔半径相同，但第一区域和第三区域内的第一类圆孔半径可以相同或不同。当二者不同时，在两条输入波导同时输入光的时候，可以改变两个模式之间的耦合效率，进而调节分光比。

所述第一分界线与第二分界线等效为两个边界态波导，边界态波导支持一维光传输，在两个边界态波导两侧分别设置输入波导和输出波导。

所述硅基衬底折射率为3.48，孔内空气的折射率为1，折射率3.48对应于波长600～800 nm附近出现金属纳米颗粒的共振。

所述胶囊形金属纳米颗粒中部为一圆柱，两端分别为两个半球，圆柱的底面半径与半球的半径相等，圆柱的上、下两个底面分别与半球的底面重合。所述胶囊形金属纳米颗粒的中心长轴的长度（圆柱的高h+底面半径R×2）要小于矩形孔的短边，使之能够放入矩形孔中。优选的，所述圆柱的底面半径与半球的半径为R=30～50 nm，圆柱的高为h=100～120nm。

优选的，所述胶囊形金属纳米颗粒的材料为金或银。

所述输入波导和输出波导为与边界态波导模式匹配的单模光纤。

本发明的技术效果：

现有技术中，只能单独对二维光子晶体的分束比进行调控，存在无法控制是否有输出光的问题，对于耦合器的调控自由度比较低。本发明通过将二维能谷光子晶体的边界态模式与金属表面等离激元的共振模式相结合，构造出微纳尺度的混合光学模式，解决了可调控性与拓扑鲁棒性二者的矛盾，其中，边界态模式可以控制耦合器的分光比，而金属微纳光学腔能够控制输出端是否有光输出，从而实现了可控开关且分束比动态可调的光耦合器，提高了能谷光子晶体阵列波导的调控自由度。该动态可调控拓扑光子耦合器可以用于集成光电子芯片，作为光电信息处理的重要平台。

附图说明

图1是本发明基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器示意图，其中：1-第一区域，2-第二区域，3-第三区域，4-第一分界线，5-第二分界线，6-第一类圆孔，7-第二类圆孔，8-矩形孔，9-胶囊形金属纳米颗粒，10-输入波导，11-输出波导。

图2是本发明的两种不同的能谷光子晶体的示意图。

图3是本发明所述胶囊形金属纳米颗粒的截面图。

图4是本发明实现可控开关光耦合器功能的原理图，其中：（a）为金属纳米颗粒吸收谱；（b）为无金属纳米颗粒时两个边界态波导中输出光强I1和I2随波长的变化曲线；（c）为有金属纳米颗粒时两个边界态波导中输出光强I3和I4随波长的变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步阐述本发明的技术方案。

图1所示为本发明基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，大的矩形区域内为硅基衬底按一定规律打孔形成的二维能谷光子晶体阵列，其中，第一分界线4和第二分界线5将能谷光子晶体阵列划分为三个区域：第一区域1、第二区域2和第三区域3；两个分界线相当于两个边界态波导，参与到耦合器的两路光耦合中，两个分界线的一端连接两条输入波导10，另一端连接两条输出波导11。第二区域2的中心处设置矩形孔8，矩形孔8中放置胶囊形金属纳米颗粒9；三个区域中均设置两类圆形孔，分别为半径较大的第一类圆孔6和半径较小的第二类圆孔7。

在所述第一区域1、第二区域2和第三区域3内部，第一类圆孔6和第二类圆孔7分别呈三角晶格交错设置，构成正六边形基本单元。三角晶格的晶格常数为a=210 nm，第一类圆孔半径为r₁=45 nm，第二类圆孔半径为r₂=30 nm。如图2所示，左图为第一区域1与第三区域3内的正六边形基本单元中的圆孔排列方式，右图为第二区域2内的正六边形基本单元中的圆孔排列方式，可以看出，第一区域1、第三区域3和第二区域2中正六边形基本单元中圆孔的排列方式呈中心对称。如图1所示，在第一区域1与第二区域2的交界第一分界线4，以及第二区域2与第三区域3的交界第二分界线5处，半径较大的第一类圆孔6相邻排列，这样的作用是构造拓扑边界态，使得光沿着分界线传输。

作为一种优选方案，可以在第一分界线4或者第二分界线5的其中之一处，改变第一类圆孔6的半径，且保持其仍大于第二类圆孔7半径，小于晶格常数，这样的好处是当两条输入波导10同时输入光的时候，可以改变两个模式之间的耦合效率，进而调节分光比，以此增加此发明的调控自由度。

本实施例中，位于第二区域2的中心处矩形孔的长为x=800 nm，宽为y=300 nm，其中放置胶囊形金属纳米颗粒9。如图3所示，所述金属纳米颗粒的中间部分为一圆柱，两端分别为两个半球，圆柱的底面半径R与半球的半径R相等，圆柱的上、下两个底面分别与两个半球的底面重合。圆柱底面半径与半球的半径为R=30 nm，圆柱的高为h=120 nm，材料为银。

如图4所示，本发明基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器实现其功能的原理如下：

A. 金属与介质表面存在表面等离激元模式，构成微纳光学腔，根据米共振理论，局域的表面等离激元存在一定的共振波长，只有在共振波长附近，能够激发起金属颗粒的光学模式。图4中（a）为上述尺寸（R=30 nm，h=120 nm）下的胶囊形银纳米颗粒的吸收谱，可以看出，未在共振波长处，金属颗粒的吸收较小，大部分能量都能透射而被输出波导接收，由于此光耦合器关注输出端的分光比，即使有较小的损耗，两个输出端也是同等程度减小，不影响分光比；而在共振波长附近，由于金属损耗较大，金属微纳光学腔对于边界态波导中光的吸收显著提高，耦合器输出端几乎无法探测到输出光。由此实现了金属微纳光学腔调控光学器件开关的功能；

B. 根据耦合模理论，两个相互靠近的波导会彼此按照一定频率交换能量，而交换能量的空间频率受到光波长的影响。如图4中（b）所示，为两个边界态波导中的归一化的输出光振幅随光波长的变化，可以看出，不同光源波长下的分光比不同，呈现周期性变化，这样就可以通过改变入射光波长，实现可控任意分光比的光耦合器；

C. 通过改变三个区域中圆孔阵列的半径可以控制光子晶体能带结构，通过改变金属纳米颗粒的尺寸可以控制金属微纳光学腔的共振波长，合理设计结构，就可将能谷光子晶体带隙与金属纳米颗粒共振波长控制在相同的范围内。如图4中（a）和（b）所示，在本实施例的参数下能谷光子晶体带隙与金属纳米颗粒共振波长在同一范围；

D. 体系的透射谱为总能量减去吸收谱，吸收谱为图4中（a）所示的η，透射谱则为1-η，则该耦合器两个输出端的的最终输出能量分别为E ₃ = E ₁ × (1-η)，E ₄ = E ₂ × (1-η)。如图4中（c）所示，共振时两个输出端的能量不在金属纳米颗粒共振波长处，实现任意分光比的耦合器，器件开关处于开的状态；而在金属纳米颗粒共振波长处，两个输出端输出光功率近似为0，即在图4的（c）中圆圈所示位置，器件开关处于关的状态。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (6)

1.一种基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，包括硅基衬底，其特征在于，在硅基衬底上具有打孔形成的二维能谷光子晶体阵列，所述二维能谷光子晶体阵列被相互平行的第一分界线和第二分界线划分为三个区域：第一区域、第二区域和第三区域；所述二维能谷光子晶体阵列由第一类圆孔和第二类圆孔组成，其中，第一类圆孔的半径大于第二类圆孔的半径，第一类圆孔和第二类圆孔分别呈三角晶格交错设置，构成正六边形基本单元，即第一类圆孔和第二类圆孔相间排列在正六边形的六个顶点处；在第一区域和第三区域内，正六边形基本单元中圆孔排列方式相同，而第二区域内的正六边形基本单元中圆孔排列方式与第一区域、第三区域相反；第二区域内仅含有三排第一类圆孔和两排第二类圆孔，且在第一区域与第二区域的交界处和第二区域与第三区域的交界处，第一类圆孔相邻排列；在第二区域的中心处设置一矩形孔，在矩形孔中放置一胶囊形金属纳米颗粒，矩形孔的长边与第一分界线、第二分界线平行，胶囊形金属纳米颗粒的中心长轴与矩形孔的短边平行；在第一分界线和第二分界线的一端设有两条输入波导，另一端设有两条输出波导。

2.如权利要求1所述的基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，其特征在于，所述三角晶格的晶格常数为200～220 nm，矩形孔的长边为700～900 nm，短边为200～400 nm，第一类圆孔的半径为40～50 nm，第二类圆孔的半径为20～40 nm。

3.如权利要求2所述的基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，其特征在于，所述胶囊形金属纳米颗粒由中部的圆柱和两端的两个半球组成，圆柱的底面半径与半球的半径相等，半径大小为30～50 nm，圆柱的高为100～120 nm。

4.如权利要求1所述的基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，其特征在于，所述第一区域、第二区域和第三区域内圆孔构成的三角晶格的晶格常数相同，第一区域和第二区域内的第一类圆孔半径相同，但第一区域和第三区域内的第一类圆孔半径相同或不同。

5.如权利要求1所述的基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，其特征在于，所述胶囊形金属纳米颗粒的材料为金或银。

6.如权利要求1所述的基于能谷光子晶体与金属微纳光学腔的可控开关光耦合器，其特征在于，所述输入波导和输出波导为与边界态波导模式匹配的单模光纤。

Images