CN207937633U - 一种基于多凹槽mim波导的纳米级全光二极管 - Google Patents

Abstract

一种基于多凹槽MIM波导的纳米级全光二极管，包括并排设置且两者之间有间隙的两块银膜，两块银膜相对的侧壁上均设有多个凹槽，两块银膜上凹槽的数量相同，且镜像设置，其中一块银膜朝向另一块银膜的侧壁上设有散射块，散射块位于所在银膜上所有凹槽组成的光栅的一端，散射块不与相邻的凹槽相接触，散射块的厚度大于所在银膜上凹槽的厚度；两块银膜之间填充有介质硅，介质硅充满两块银膜之间的间隙，同时充满两块银膜上所有的凹槽，形成介质硅波导。该全光二极管利用SPs在金属银膜上下多凹槽光栅与介质硅膜接触来波导模式耦合实现增强和削弱透射的单向性传输，有效增强单向透射性，提高耦合效率，低功耗，高对比度。

Description

一种基于多凹槽MIM波导的纳米级全光二极管

技术领域

本实用新型涉及光学信号传输、光集成回路、超分辨率光刻、光计算机、物理光学、MIM波导等相关领域，具体为一种基于多凹槽MIM波导的纳米级全光二极管。

背景技术

纳米级全光二极管是光计算、光互连系统和集成光子电路的重要组成部分。与半导体二极管相比，全光二极管存储和处理信息的速度快的多。类似于电子二极管，纳米全光二极管具有“非互易传输”（unidirectional nonreciprocal transmission）特性，即具有正向导通、反向截止的功能。纳米级全光二极管有两个关键特性：低工作阈值功率和高传输率。将来采用可进行非互易传输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。有基于光子晶体实现光信号的非互易导通，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。由于非线性光学相对较小，常规磁化率和磁光系数材料，操作阈值强度非常高，经常在几瓦每立方厘米级。此外，实现透光率对比非常低，通常小于90。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。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于多凹槽MIM波导的纳米级全光二极管，有效增强单向透射性，提高耦合效率，低功耗，高对比度。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种基于多凹槽MIM波导的纳米级全光二极管，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，第一银膜朝向第二银膜的侧壁上设有多个第一凹槽，第二银膜朝向第一银膜的侧壁上设有数量与第一凹槽数量相同的第二凹槽，数量相同的第一凹槽和第二凹槽镜像设置，第二银膜朝向第一银膜的侧壁上设有散射块，散射块位于所有第二凹槽组成的光栅的一端，散射块不与相邻的第二凹槽相接触，散射块的厚度大于第二凹槽的厚度；第一银膜和第二银膜之间填充有介质硅，介质硅充满第一银膜和第二银膜之间的间隙，同时充满所有第一凹槽和所有第二凹槽，形成介质硅波导。

本实用新型纳米级全光二极管为MIM（银-硅-银，Ag-Si-Ag）波导结构，MIM波导由在两银膜夹硅（Si）波导组成，并且在两个银膜内侧上下对称刻蚀凹槽，凹槽在硅膜上形成光栅结构，在凹槽光栅右侧放置散射块，散射块置于硅膜波导中心下侧银膜上。利用SPs（表面等离子体）在金属银膜上下多凹槽光栅与介质硅膜接触来波导模式耦合实现增强和削弱透射的单向性传输。光波波长固定为1638 nm为入射波。TM平面波从一侧入射，另一侧出射，当TM波是从右侧入射时，经过硅波导先到达散射块处转化为TM1非对称SPs模式，随后通过光栅区域出射。当TM波从左侧入射时，通过多凹槽等离子体光栅区域为TM0对称SPs模式，频率为TM0传输禁带。散射块在右侧入射时对光有透射增强现象，而在左侧入射方向上却有抑制透射的作用，表现出单向传输效应，达到单向通透的效果。当光栅周期数为6时，入射光波为1638 nm的透射率分别为右侧入射时透射率24%，左侧入射时透射率仅为0.015%。实现了1600倍的高透射比，且设计结构简单、耦合效率高、易于集成。

本实用新型具有如下优点：

1）在波导内上下银膜表面刻凹槽，且凹槽上下对称，左右不对称，结构简单，可采用分子束外延法、化学气相沉积法、磁控溅射等多种薄膜生长技术制备出高质量的银、硅薄膜。利用微细加工技术（如聚焦离子束刻蚀法、电子束光刻法等）可以制备出非对称多凹槽等离子体光栅。因此，本波导的样品结构在实际中容易获得。

2）与基于非线性克尔效应和磁光效应的全光二极管相比，本实用新型波导纳米级全光二极管具有超低功耗和超高传输对比度，使光二极管处理速度快，单向透过率高。对于全光逻辑门、全光存储器和全光加法器的设计具有指导意义，还可以用来消除信号串扰，有效地减小器件尺寸。

3）波导介质为硅，信号光波的传播方向沿着金属薄膜。这使得本纳米级全光二极管更适合于实际的集成应用，且耦合效率高。

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是波长1638 nm的入射光从图1所示的全光二极管左侧入射时，随着对称凹槽光栅周期数P增加得到的透射谱图。

图3是波长1638 nm的入射光从图1所示的全光二极管右侧入射时，随着对称凹槽光栅周期数P增加得到的透射谱图。

图1中：1.第一银膜，2.介质硅波导，3.第二银膜，4.第一凹槽，5.第二凹槽，6.散射块。

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一种实施例，包括并排设置的第一银膜1和第二银膜3，第一银膜1和第二银膜3之间有间隙，第一银膜1朝向第二银膜3的侧壁上设有多个第一凹槽4，第一凹槽4的数量为六个；第二银膜3朝向第一银膜1的侧壁上设有数量与第一凹槽4数量相同的第二凹槽5，数量相同的第一凹槽4和第二凹槽5镜像设置，第二银膜3朝向第一银膜1的侧壁上设有散射块6，散射块6位于所有第二凹槽5组成的光栅的一端，并不与相邻的第二凹槽5相接触，散射块6的厚度大于第二凹槽5的厚度；第一银膜1和第二银膜3之间填充有介质硅，介质硅充满第一银膜1和第二银膜3之间的间隙，同时充满所有第一凹槽4和所有第二凹槽5，形成介质硅波导2。

第一银膜1和第二银膜3的厚度和形状完全相同。介质硅波导2两端的厚度相同，且大于介质硅波导2中间部分的厚度。

第一银膜1的厚度和第二银膜3的厚度均为h1，是1000nm；介质硅波导2左侧和右侧的输入/输出端厚度h2为1200nm，介质硅波导2的中心厚度h3为600nm，第一凹槽4和第二凹槽5的厚度h4为100nm，散射块6的宽度为250nm，散射块6的厚度h5为225nm。第一凹槽4和第二凹槽5的宽度b为250nm，第一凹槽4和第二凹槽5的晶格常数a为500nm。

沿远离散射块6的方向、六个第二凹槽5中心线与散射块6中心线之间的距离依次为750nm、1250nm、1750nm、2250nm、2750nm、3250nm，六个第一凹槽4与六个第二凹槽5沿介质硅波导水平中心线对称设置。

介质硅材料的介电常数为11.56。金属银膜的复介电常数采用德鲁特（Drude）色散模型。入射光波为特定波长1638nm的TM波，TM波偏振方向为z方向，传播方向为x方向。通过有限元方法（FEM）进行结构模型优化计算。

光波从本实用新型全光二极管左侧入射时，随着对称凹槽光栅周期数P增加得到如图2所示的透射谱图。从图中可以看出：由于强截止带效应，信号光只能进入少数格点，所以减小的幅度不太明显。光栅周期数的增加对左侧入射光透过率的影响很小。当光栅周期数为6时，透射仅为0.015%。

光波本实用新型全光二极管右侧入射时，随着对称凹槽光栅周期数P增加得到如图3所示的透射谱图。周期数从6增加到20时，信号光透过率由24%下降到3%，其原因在于由于强介电常数的虚数部分而产生的强烈的散射损耗和银的固有损耗。其中当周期数为10时，仍有10%以上的透射率。

本实用新型全光二极管中等离子体凹槽波导能够提供横磁场（TM）极化SPs模式，在这种模式下介质波导和金属界面上有很强的限制。TM0模式下SPs电场分布与硅波导对称，而TM1模式下SPs电场分布相对于硅波导不对称。本结构以散射块6为中心，凹槽光栅位于散射块左侧。从左侧入射，当光栅周期接近SPs波长的一半时，将形成SPs模式的停止带。本实用新型对光栅结构周期等参数进行了优化设计，使得其处于TM0模式下SPs的阻带部分。从右侧入射时，由于其散射块的强散射效应，信号光的能量的一部分可以转移到非对称模式。因此，当信号光是从右侧发起的，它是由散射块和随后传播通过光栅区域首先转移到TM1模式，信号可以从右到左方向通过等离子体槽波导。当信号光从左侧入射，由于其频率位于TM0禁带，它将由等离子体光栅反射回来而无法通过该波导结构。本实用新型采用波长为1638nm的入射光，属于TM0模式。1638nm的电磁波处在TM0模式的禁带，但处在TM1模式的通频带。左侧入射时，由于TM0模式强阻带的影响，信号光不能传播，如图2所示。

当信号光从相反方向入射时，情况发生了变化。在右侧入射情况下，1638nm对称SPs的能量的一部分首先被散射块6传输到非对称模式，随后进入凹槽光栅。1638nm的非对称SP模式位于TM1模式通带。因此，信号光可以通过凹槽光栅传播，如图3所示。因此，信号光可以在从右侧到左侧的方向上通过波导传播。基于多凹槽MIM波导实现了无需高功率要求的纳米级全光二极管。

本实用新型银-硅-银波导可以提供TM偏振SPs模式，1638nm信号光的电场分布为对称TM0模式，1638nm处在TM0模式的禁带，但在TM1模式（非对称）的通频带。在入射光从左侧入射时，1638nm入射光波直接进入对称分布的凹槽光栅，由于TM0模强阻带的影响，信号光不能传播。当信号光从相反方向入射时，情况发生了变化。在右侧入射情况下，1638nm对称SPs的能量的一部分首先被散射块6转化为非对称模式，随后进入等离子体多凹槽光栅。1638 nm的非对称SPs模式位于TM1模通频带。因此，信号光可以通过光栅沿波导继续传播。因此，信号光可以在从右侧到左侧的方向上通过等离子体多凹槽波导传播。实现了无需高功率要求的全光二极管。

本实用新型纳米级全光二极管的上下对称凹槽周期数为6时，右侧入射最大透射率为24%，左侧入射透过率仅为0.015%，实现了1600倍的高透射比，单向透过性最好，且结构简单，易于集成。

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，低功耗，高对比度，易于集成的金属-介质-金属（Metal-Insulator-Metal，MIM）波导的纳米级全光二极管。

Claims (4)

1.一种基于多凹槽MIM波导的纳米级全光二极管，其特征在于，包括并排设置的第一银膜（1）和第二银膜（3），第一银膜（1）和第二银膜（3）之间有间隙，第一银膜（1）朝向第二银膜（3）的侧壁上设有多个第一凹槽（4），第二银膜（3）朝向第一银膜（1）的侧壁上设有数量与第一凹槽（4）数量相同的第二凹槽（5），数量相同的第一凹槽（4）和第二凹槽（5）镜像设置，第二银膜（3）朝向第一银膜（1）的侧壁上设有散射块（6），散射块（6）位于所有第二凹槽（5）组成的光栅的一端，散射块（6）不与相邻的第二凹槽（5）相接触，散射块（6）的厚度大于第二凹槽（5）的厚度；第一银膜（1）和第二银膜（3）之间填充有介质硅，介质硅充满第一银膜（1）和第二银膜（3）之间的间隙，同时充满所有第一凹槽（4）和所有第二凹槽（5），形成介质硅波导（2）。

2.根据权利要求1所述的基于多凹槽MIM波导的纳米级全光二极管，其特征在于，所述第一凹槽（4）和第二凹槽（5）的数量均为六个。

3.根据权利要求1所述的基于多凹槽MIM波导的纳米级全光二极管，其特征在于，所述第一银膜（1）和第二银膜（3）的厚度和形状完全相同。

4.根据权利要求1所述的基于多凹槽MIM波导的纳米级全光二极管，其特征在于，所述介质硅波导（2）两端的厚度相同，且大于介质硅波导（2）中间部分的厚度。