CN206696461U

CN206696461U - 一种基于SPPs‑CDEW混合模式的全光二极管

Info

Publication number: CN206696461U
Application number: CN201720522385.7U
Authority: CN
Inventors: 祁云平; 胡月; 南向红; 张雪伟; 周培洋
Original assignee: Northwest Normal University
Current assignee: Northwest Normal University
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2027-05-11

Abstract

一种基于SPPs‑CDEW混合模式的全光二极管，包括并排设置的两块银膜，该两块银膜之间的间隙为单狭缝；两块银膜上表面刻蚀有数量相同的多条上表面凹槽，两块银膜的下表面刻蚀有数量为上表面凹槽数量加1的下表面凹槽；上表面凹槽和下表面凹槽错位设置，两块银膜上的上表面凹槽和第相对于单狭缝对称设置，两块银膜上的下表面凹槽相对于单狭缝对称设置。该全光二极管在入射方向对光有投射增强现象，而在相反方向上却有抑制投射的作用，表现出单向传输效应，达到单向通透的效果；最大消光比可达到38.3dB，即正向透射率是反向透射率的6761倍。且设计结构简单、宽带工作、耦合效率高、易于集成。

Description

一种基于SPPs-CDEW混合模式的全光二极管

技术领域

本实用新型涉及光学信号传输、集成光回路、超分辨率光刻、光计算机等相关领域，具体为一种基于SPPs-CDEW混合模式的全光二极管。

背景技术

集成光子回路上最基本的光子器件就是全光二极管。与半导体二极管相比，光二极管存储和处理信息的速度快的多，将来采用可进行“非互易传输”（unidirectionalnonreciprocal transmission）光二极管制造的光学计算机，不仅处理速度更快，稳定性也更高。

目前，已开发出多种结构的光二极管。有基于光子晶体来实现光信号的非互易导通（nonreciprocal transmission），即光二极管效应：如一种基于三明治非线性布拉格光栅结构的全光孤子二极管、通过一维光子晶体与有损的金属薄膜构成的异质结构中的光隧穿行行为设计高效的光二极管、一种基于六角格子光子晶体波导微腔和Fabry-Perot（FP）腔非对称耦合的全光二极管结构等等，但以上基于光子晶体设计的光二极管，由于光子晶体是通过人工制造折射率周期性变化的微观结构，因而其制造工艺比较复杂，精度要求较高，结构实现较困难。也有基于磁性物质来实现非互易导通的光二极管的设计：如利用磁光效应和光共振效应，实验上得到了基于单向光学共振器的单片集成光隔离器，即光二极管、金薄膜的光栅附着在金属氧化物反铁磁基底上，利用反铁磁性对于光的时间反演不变性，来实现光的单向性、基于非线性光学效应实现单向性的光二极管的设计等等。然而以上设计的全光二极管在总的性能参数如光强阈值、消光比、工作带宽和最大透射率等方面或多或少有所不足。本实用新型专利的目的是设计结构简单，宽带工作，耦合效率高，易于集成的光二极管。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于SPPs-CDEW混合模式的全光二极管，有效增强单向投射性，提高耦合效率。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于SPPs-CDEW混合模式的全光二极管，包括并排设置的第一银膜和第二银膜，第一银膜和第二银膜之间有间隙，该间隙为单狭缝；第一银膜的上表面刻蚀有多条第一上表面凹槽，第二银膜的上表面刻蚀有数量与第一上表面凹槽数量相同的第二上表面凹槽，第一银膜的下表面刻蚀有数量为第一上表面凹槽数量加1的第一下表面凹槽，第二银膜的下表面刻蚀有数量与第一下表面凹槽数量相同的第二下表面凹槽；第一上表面凹槽和第一下表面凹槽错位设置，第二上表面凹槽和第二下表面凹槽错位设置；第一上表面凹槽和第二上表面凹槽相对于单狭缝对称设置，第一下表面凹槽和第二下表面凹槽相对于单狭缝对称设置。

本实用新型全光二极管在银膜两个表面都刻蚀对称的凹槽对结构，并且上下两表面的凹槽离单缝的距离位置非对称错开，利用SPPs（表面等离极化激元）在金属银膜上下两个表面不同的亚波长多凹槽单缝结构来实现增强和削弱投射的单向性传输，TM平面波从一侧入射，另一侧出射，随着缝槽激发的SPPs的影响，在入射方向此结构对光有投射增强现象，而在相反方向上却有抑制投射的作用，表现出单向传输效应，达到单向通透的效果。最大消光比可达到38.3dB，即正向透射率是反向透射率的6761倍。且设计结构简单、宽带工作、耦合效率高、易于集成。

本实用新型具有如下优点：

1）在银膜上下表面刻凹槽，且凹槽上下不对称，左右对称，结构简单，易于集成。

2）通过平面光透过单狭缝，并两边刻凹槽能够激发于SPPs-CDEW（表面等离极化激元—复合衍射衰逝波）混合模式，使光二极管处理速度快，单向透过率高。

3）通过SPPs-CDEW混合模式的光二极管设计，宽带工作，耦合效率高，且易于集成应用。

附图说明

图1是本实用新型全光二极管一种实施例的示意图。

图2是光照射到图1所示全光二极管上时，该全光二极管的SPPs激发原理图。

图3是SPPs-CDEW混合模式随缝槽间距d周期变化的规约化远场透射谱。

图4是单狭缝-对称多凹槽结构，随两侧对称凹槽对数n增加得到的正向增强透射谱图。

图5是单狭缝-对称多凹槽结构，随两侧对称凹槽对数n增加得到的反向增强透射谱图。

图6是入射光波长850nm时，消光比随对称凹槽对数n增加的变化曲线图。

图1中：1.第一银膜，2.第一上表面凹槽，3.单狭缝，4.第二上表面凹槽， 5.第二银膜，6.第一下表面凹槽，7.第二下表面凹槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型全光二极管的一种实施例，包括并排设置的第一银膜1和第二银膜5，第一银膜1和第二银膜5不接触，第一银膜1和第二银膜5之间有间隙，该间隙为单狭缝3，单狭缝3的宽度为W；沿远离第二银膜5的方向、第一银膜1的上表面依次刻蚀有五条第一上表面凹槽2，沿远离第二银膜5的方向、第一银膜1的下表面依次刻蚀有六条第一下表面凹槽6；沿远离第一银膜的方向、第二银膜5的上表面依次刻蚀有五条第二上表面凹槽4，沿远离第一银膜的方向、第二银膜5的下表面依次刻蚀有六条第二下表面凹槽7；第一上表面凹槽2和第一下表面凹槽6错位设置，第二上表面凹槽4和第二下表面凹槽7错位设置；第一上表面凹槽2和第二上表面凹槽4相对于单狭缝3对称设置，第一下表面凹槽6和第二下表面凹槽7相对于单狭缝3对称设置。

沿远离单狭缝3的方向、第一银膜1上各上表面凹槽中心线与单狭缝中心线之间的距离依次为594nm、1048nm、2232nm、3060nm、3809nm，沿远离单狭缝3的方向、第二银膜5上各上表面凹槽中心线与单狭缝中心线之间的距离依次为594nm、1048nm、2232nm、3060nm、3809nm；沿远离单狭缝3的方向、第一银膜1上各下表面凹槽中心线与单狭缝中心线之间的距离依次为900nm、1740nm、2580nm、3420nm、4260nm、5100nm，沿远离单狭缝3的方向、第二银膜5上各下表面凹槽中心线与单狭缝中心线之间的距离依次为900nm、1740nm、2580nm、3420nm、4260nm、5100nm。

图1中的T₁表示平面波从上表面向下表面入射后得到的透射率，T₂表示平面波从下表面向上表面入射后得到的透射率，T₁和T₂用来计算消光比，消光比的公式为lg(T ₁/T ₂)。

在一整块银膜的中间刻蚀出单狭缝3，将该银膜分成尺寸完全相同的第一银膜1和第二银膜5，然后用有限元方法利用comsol仿真软件对该模型进行仿真并对单狭缝3相邻的凹槽中心线与单狭缝中心线之间的距离进行参数化扫描，即对一定范围内单狭缝相邻的凹槽中心线与单狭缝中心线之间的距离进行透射率和消光比的计算，得出数据并绘图，从而根据图形确定凹槽的位置。如图2所示，入射光线λ到达本全光二极管后在表面会激发表面等离激元，其中u ₁和 v ₁表示在银膜/空气界面处狭缝3和第一上表面凹槽2之间两个相反方向上传播的SPPs模式的振幅；u ₂和 v ₂表示在银膜/空气界面处狭缝3和第二上表面凹槽4之间两个相反方向上传播的SPPs模式的振幅；a ₁和b ₁表示在第一上表面凹槽2内部上下两个相反方向上传播的基本凹槽模式的振幅系数；a ₂和b ₂表示在第二上表面凹槽4内部上下两个相反方向上传播的基本凹槽模式的振幅系数。

第一银膜1和第二银膜5的厚度E为260nm、宽度为2000nm、长度为13000nm。第一上表面凹槽2的尺寸、第二上表面凹槽4的尺寸、第一下表面凹槽6的尺寸和第二下表面凹槽7的尺寸完全相同；凹槽的宽度100nm、高度h为100nm、长度为2000nm。

本实用新型全光二极管设单狭缝3的中心位置为0，并严格规定该光二极管对称凹槽的位置，根据图3可以看到最大透射和最大抑制透射的位置是固定的，所以要严格规定光二极管对称凹槽的位置才能达到最优效果。上表面对称凹槽用于激发SPPs并且增强投射，银膜上表面凹槽分布位置在如图3所示规约化透射谱的峰值位置，其位置L ₁=594nm，L ₂=1048nm，L ₃=2232nm，L ₄=3060nm，L ₅=3809nm（L表示单狭缝3中心到凹槽中心的水平距离），并相对单狭缝对称分布；下表面对称凹槽用于激发SPPs并削弱投射但是如图3所示规约化透射谱的谷底位置都比较平坦，除了前两个谷底其他谷底没有明显的最小值，经过仿真软件采用有限元方法证明产生削弱作用最明显的凹槽分布在单缝-单槽规约化投射谱的谷底位置，即金属银膜下表面的凹槽分布在L ₁ ^′=900nm，L ₂ ^′=1740nm，L ₃ ^′=2580nm，L ₄ ^′=3420nm，L ₅ ^′=4260nm，L ₆ ^′=5100nm。银膜上表面处刻蚀的对称凹槽位置正好位于干涉相长最强的位置，而下表面上的对称凹槽位置位于干涉相消最大的位置，上表面凹槽和下表面凹槽的位置没有关系，但上下表面凹槽位置与凹槽中心相对于单狭缝中心的水平距离有光，也就是根据凹槽中心相对于单狭缝中心的水平距离确定了上下表面凹槽的位置，干涉波最终穿过狭缝形成了远场投射，因此光从上往下增强投射而相反方向抑制投射，这样就实现了光二极管光束的单向透过功能。

入射光从上往下正向增强投射的规约化透射率T ₁/T ₀（即）随两侧对称凹槽对数n增加得到的正向增强透射谱，如图4，图4中实心矩形所在的曲线表示在金属银膜下表面没有刻蚀抑制透射凹槽（m=0）的情况；实心三角形所在的曲线表示在金属银膜下表面刻蚀抑制透射凹槽对的数目和上表面刻蚀增强透射凹槽对的数目相等（m=n）的情况；实心球体所在的曲线表示在金属银膜下表面刻蚀抑制透射凹槽对的数目为 6（m=6，最优数）的情况，这三条透射谱正向增强规约化透射率 T ₁/T ₀都随着上表面对称凹槽对数目n的增加，透射强度也在逐渐上升，并且在下表面刻蚀抑制透射凹槽对正向增强透射率 T ₁/T ₀的提高有增大作用，从图4可知，m=n时的透射谱和m=6时的透射谱都比m=0时的透射谱在同等n下提高不少。并且三条透射谱都在上表面对称凹槽对数目n=6～7有一个台阶提升，为使投射效率达到最优，本实用新型采用上下表面都刻蚀对称凹槽，来增加单向透过性。

图5表示入射光从下往上方向抑制透射的规约化透射率T ₂/T ₀（即）随两侧对称凹槽对数n增加得到的反向增强透射谱图，图5中实心矩形所在的曲线表示在金属银膜上表面没有刻蚀增强透射凹槽（n=0）的情况，实心三角形所在的曲线表示在金属银膜上表面刻蚀增强透射凹槽对的数目和下表面刻蚀抑制透射凹槽对的数目相等（n=m）的情况（这两种情况 m=0时，T ₂/T ₀=1图中没有画出），透射谱反向抑制规约化透射率T ₂/T ₀都随着下表面对称凹槽对数目 m 的增加，透射强度逐渐降低，实心矩形所在的曲线在 m＞4 以后远场透射反而上升，实心三角形所在的曲线在 m=6 时，达到最小透射率约为 0.00222，说明99.78%的透射都被抑制了．并且在上表面刻蚀增强透射凹槽对下表面凹槽的抑制透射效果有增强作用，透射率再次下降，如图可看到蓝色实线在 m>4 条件下抑制透射率都要比黑色实线低一些．红色实心球体表示在金属银膜下表面刻蚀抑制透射凹槽对的数目为固定数 6（m=6，最优数）的反向抑制透射情况，可以看到反向抑制透射率基本没有变化，从 n=0（上表面没有槽）的 0.01274 到 n=4 的0.00185 达到最小值，在 n＞4 以后远场透射缓慢上升.

图6给出了三种情况的消光比随对称凹槽对数 n 增加而得到的变化曲线，其中实心矩形所在的曲线表示只在金属银膜一个表面刻蚀对称凹槽（正向增强 m=0 而反向抑制n=0）的情况，实心三角形所在的曲线表示在金属银膜上下两个表面刻蚀凹槽对的数目相等（m=n）的情况，可以明显看出实心三角形所在的曲线在 n＞4 后明显比实心矩形所在的曲线消光比提高很多，并且一直上升，到 m=n=6 时达到最大消光比 37.78dB，而在 m=n＞6之后逐渐稳定且有所下降，所以本实用新型全光二极管的下表面在单狭缝3两侧各对称分布6个凹槽为最优。接下来确定上表面凹槽对数目：图6中实心球体所在的曲线表示在金属银膜下表面刻蚀抑制透射凹槽对的固定数目为6（m=6，最优数）的消光比随上表面对称凹槽对数 n 变化的曲线：随着 n 的增加，消光比也逐渐增加并且比实心三角形所在的曲线要高，并在 n=5 时达到最大消光比38.3dB，此时的正向透射强度是反向透射强度的 6761倍，消光比达到了最优化，实现了非常有效的单向透光效果。由此得出本实用新型全光二极管的上表面在单狭缝两侧各对称分布 5 个凹槽（n=5）, 下表面对称刻蚀 6 对凹槽（m=6），单向透过性最好，且结构简单，易于集成。

SPPs-CDEW为面等离极化激元与复合衍射衰逝波形成的复合波，入射波照射到光子器件表面，产生表面等离极化激元和复合衍射衰逝波，表面等离子体激元（SurfacePlasmon Polaritons, Spps）是一种沿金属表面传导的电磁模式，它是由入射光子和金属表面自由电子相互震荡耦合产生的。CDEW表示入射光在狭缝3和凹槽等缺陷处发生衍射，从而产生各种频率的表面波。本实用新型全光二极管利用这两种形式的波复合来达到效果。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims

1.一种基于SPPs-CDEW混合模式的全光二极管，其特征在于，包括并排设置的第一银膜（1）和第二银膜（5），第一银膜（1）和第二银膜（5）之间有间隙，该间隙为单狭缝（3）；第一银膜（1）的上表面刻蚀有多条第一上表面凹槽（2），第二银膜（5）的上表面刻蚀有数量与第一上表面凹槽数量相同的第二上表面凹槽（4），第一银膜（1）的下表面刻蚀有数量为第一上表面凹槽（2）数量加1的第一下表面凹槽（6），第二银膜（5）的下表面刻蚀有数量与第一下表面凹槽（6）数量相同的第二下表面凹槽（7）；第一上表面凹槽（2）和第一下表面凹槽（6）错位设置，第二上表面凹槽（4）和第二下表面凹槽（7）错位设置；第一上表面凹槽（2）和第二上表面凹槽（4）相对于单狭缝（3）对称设置，第一下表面凹槽（6）和第二下表面凹槽（7）相对于单狭缝（3）对称设置。

2.根据权利要求1所述的基于SPPs-CDEW混合模式的全光二极管，其特征在于，沿远离单狭缝（3）的方向、第一银膜（1）上各上表面凹槽中心线与单狭缝中心线之间的距离依次为594nm、1048nm、2232nm、3060nm、3809nm，沿远离单狭缝（3）的方向、第二银膜（5）上各上表面凹槽中心线与单狭缝中心线之间的距离依次为594nm、1048nm、2232nm、3060nm、3809nm；沿远离单狭缝（3）的方向、第一银膜（1）上各下表面凹槽中心线与单狭缝中心线之间的距离依次为900nm、1740nm、2580nm、3420nm、4260nm、5100nm，沿远离单狭缝（3）的方向、第二银膜（5）上各下表面凹槽中心线与单狭缝中心线之间的距离依次为900nm、1740nm、2580nm、3420nm、4260nm、5100nm。