CN208314237U - 一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，该混合等离激元波导布拉格光栅结构由两组不同周期结构的混合等离激元波导布拉格光栅以及入射和出射端的导纳匹配波导构成，两组混合等离激元波导布拉格光栅串联拼接。第一组混合等离激元波导布拉格光栅由两种波导交替排列形成，第二组混合等离激元波导布拉格光栅由两种波导交替排列形成。两组混合等离激元波导布拉格光栅均由金属Ag条和高折射率材料Si中间周期性地交替填充两种低折射率材料A和B构成。该结构简单、设计流程简便，结构集成度高且容易制备，能够实现对指定波长激光的精准选择作用，以及实现动态宽波段的模式选频作用，在光通信、集成光学领域具有一定的应用价值。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，可用于光通信、集成光学等技术领域。
背景技术
在近现代的通信领域的发展中，器件集成度的提高一直是人们在光子期间研究中的一个重要追求，光子晶体波导、表面等离激元波导为代表的多种纳米光波导结构被提出和发展。其中，表面等离激元波导突破了传统光学研究中衍射极限的约束，但是由于欧姆损耗的存在，该波导不能用于长距离传输。为了能够在损耗与约束之间进行折中平衡，混合表面等离激元波导被提出，通过在金属和高折射率介质间引入低折射率间隙，这种波导结构能够在降低损耗的同时保证较好的场约束能力。正是基于这个原因，各种基于混合等离激元波导的集成光子器件被设计出来，例如表面等离激元纳米透镜、高效的光学调制器、偏振光束器等等。
其中，作为波长依赖的光子器件布拉格光栅，结合HPWs结构以杰出的滤波特性和低损耗特性吸引了很多学者的研究。而混合表面等离激元波导与布拉格光栅的耦合，能够更为理想地对某波长的波进行选择。王泉等人研究的杂化表面等离激元多层布拉格光栅结构(王泉，肖经，韦启钦，刘平.基于杂化表面等离激元的多层波导布拉格光栅[J].光学学报，2018，38(01):48-53.)能够在周期数为60时对特定光波产生滤波作用，该结构不仅可以降低金属表面对光场限制所形成的损耗，而且表现出了较强的模场限制能力，但是值得注意的是，一个具有高集成度、高利用率特点的光器件，往往需要相同的结构可以实现多个功能，所以研究如何在原有的带通滤波器的基础上解决禁带单一性的问题是非常有意义的。
发明内容
本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅。
本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，该混合等离激元波导布拉格光栅结构由两组不同周期结构的混合等离激元波导布拉格光栅以及入射和出射端的导纳匹配波导构成，两组混合等离激元波导布拉格光栅串联拼接。
优选地，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅由两种波导交替排列形成，第二组混合等离激元波导布拉格光栅由两种波导交替排列形成。
优选地，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅由金属Ag条和高折射率材料Si中间周期性地交替填充两种低折射率材料A和B构成，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅包括n个交替填充排列的两种低折射率材料A和B。
优选地，所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅由金属Ag条和高折射率材料Si中间周期性地交替填充两种低折射率材料A和B构成，所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅包括n个交替填充排列的两种低折射率材料A和B。
优选地，所述低折射率材料A为TiO2，所述低折射率材料为SiO2。
优选地，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅和第二组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N为15.5。
优选地，所述布拉格光栅的周期为Λ＝d1+d2，具体的结构参数由下式确定：
其中：q是布拉格级数，通常取1；λb为布拉格波长；d1和d2分别为SiO2和TiO2材料在一个周期内的长度；neff,1和neff,2分别为低折射率材料SiO2和TiO2填充时的两种混合表面等离激元波导的有效折射率。
优选地，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅和第二组混合等离激元波导布拉格光栅的周期分别为Λ1和Λ2，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅Λ1为284nm，所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅Λ2为244nm。
优选地，所述入射端和出射端分别为SiO2和TiO2，所述入射端SiO2的长度为260nm，所述出射端TiO2的长度为370nm。
优选地，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅和第二组混合等离激元波导布拉格光栅的占空比不同。
本实用新型技术方案的优点主要体现在：该混合等离激元波导布拉格光栅能实现两个指定宽波段处TM模式的截止，通过改变匹配区的波导长度和光栅周期可以实现对指定波段内的通频带的动态选择，并且能够对通带及禁带的位置和性能进行调节优化。
该结构简单、设计流程简便，结构集成度高且容易制备，能够灵活选择频带，能够实现对指定波长激光的精准选择作用，以及实现动态宽波段的模式选频作用，在光通信、集成光学领域具有一定的应用价值。
附图说明
图1为本实用新型混合等离激元波导的横截面结构示意图。
图2为在混合等离激元波导的基础上引入折射率交替排列的布拉格光栅后的波导器件的纵截面结构示意图。
图3为低折射率层分别为TiO2和SiO2时有效折射率的实部随波长的变化曲线。
图4为低折射率层分别为TiO2和SiO2时有效折射率的虚部随波长的变化曲线。
图5为当结构参数设为：d1＝260nm，d2＝d3＝d4＝142nm，d5＝102nm，d6＝370nm时入射光从空气中垂直入射混合等离激元波导布拉格光栅的TM模式透射谱图。
具体实施方式
本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。
本实用新型揭示了一种一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，如图1和图2所示，该混合等离激元波导布拉格光栅结构由两组不同周期结构的混合等离激元波导布拉格光栅以及入射和出射端的导纳匹配波导构成，两组混合等离激元波导布拉格光栅串联拼接。所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅由两种波导交替排列形成，第二组混合等离激元波导布拉格光栅由两种波导交替排列形成。
所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅由金属Ag条和高折射率材料Si中间周期性地交替填充两种低折射率材料A和B构成，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅包括n个交替填充排列的两种低折射率材料A和B。
所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅由金属Ag条和高折射率材料Si中间周期性地交替填充两种低折射率材料A和B构成，所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅包括n个交替填充排列的两种低折射率材料A和B。在本技术方案中，所述低折射率材料A为TiO2，所述低折射率材料为SiO2。所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅和第二组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N为15.5。
所述布拉格光栅的周期为Λ＝d1+d2，具体的结构参数由下式确定：
其中：q是布拉格级数，通常取1；λb为布拉格波长；d1和d2分别为SiO2和TiO2材料在一个周期内的长度；neff,1和neff,2分别为低折射率材料SiO2和TiO2填充时的两种混合表面等离激元波导的有效折射率。
所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅和第二组混合等离激元波导布拉格光栅的周期分别为Λ1和Λ2，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅Λ1为284nm，所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅Λ2为244nm，串联的两组布拉格光栅的周期分别为Λ1＝142+142＝284nm和Λ2＝142+102＝244nm。串联后的结构入射端和出射端分别为SiO2和TiO2形成导纳匹配区，所述入射端和出射端分别为SiO2和TiO2，所述入射端SiO2的长度为260nm，所述出射端TiO2的长度为370nm。
所述的混合等离激元波导布拉格光栅，内部两种低折射率材料是周期性结构，且两种波导结构的几何长度不相等，光栅的入射端为SiO2，出射端为TiO2。通过将两段占空比不同的混合等离激元波导布拉格光栅进行串联拼接，并利用导纳匹配原理对整体结构进行优化，得到一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅。
图1为混合等离激元波导的横截面结构示意图，该结构的材料分布如下所述：h1*w1区域为金属条Ag；h3*w2区域为低折射率层SiO2；h2*w2区域为高折射率层Si；h4*w3(除去以上所述部分)为PMMA包层；h5*w3为衬底SiO2。该结构的尺寸设置如下：h1＝100nm，h2＝230nm，h3＝50nm，h4＝1000nm，h5＝500nm，w1＝100nm，w2＝400nm，w3＝1400nm；其中，w1为金属Ag条的宽度，h1为Ag的厚度，h2为高折射率材料Si的宽度，w2为高折射率材料Si(同时也是低折射率材料SiO2和TiO2)的宽度，h3为低折射率材料的厚度，d3为包层PMMA的宽度，h4为包层PMMA的厚度，h5为衬底SiO2的厚度。
图2为在图1混合等离激元波导的基础上引入折射率交替排列的布拉格光栅后的波导器件的纵截面结构示意图。其中h3*d1区域为前导纳匹配层，材料是SiO2，h3*d2区域为TiO2，h3*d3区域为SiO2，d3、d2交替排列区域为SiO2、TiO2交替排列，h3*d4区域为SiO2，h3*d5区域为TiO2，d4、d5交替排列区域为SiO2、TiO2交替排列，h3*d6区域为后导纳匹配层，材料为TiO2。其他结构材料与参数皆与图1中一致。d1＝260nm，d2＝d3＝d4＝142nm，d5＝102nm，d6＝370nm，前后两个布拉格光栅(除去导纳匹配层)高低折射率交替排列的周期数N都为15.5。
利用COMSOL软件的有限元算法，对图1的结构进行模式分析，开启参数化扫描，波长范围从800nm～1700nm，步长为10nm，计算不同波长下该结构的有效折射率，计算结果包含了当低折射率层为SiO2时有效折射率的实部与虚部。改变低折射率层的材料为TiO2，尺寸不变，在此重复上述计算，得到不同波长下该结构改变后的有效折射率，计算结果包含了当低折射率层为TiO2时有效折射率的实部与虚部。图3即为低折射率层分别为TiO2和SiO2时有效折射率的实部随波长的变化曲线，图3中横坐标为波长，纵坐标为折射率；图4即为低折射率层分别为TiO2和SiO2时有效折射率的虚部随波长的变化曲线，图4中横坐标为波长，纵坐标为折射率。
当结构参数d1＝260nm，d2＝d3＝d4＝142nm，d5＝102nm，d6＝370nm时得到如图5所示当入射光从空气中垂直入射混合等离激元波导布拉格光栅的TM模式透射谱图，图5中横坐标为波长，纵坐标为传输效率。
所述混合等离激元波导布拉格光栅其透射谱在禁带的两侧会出现明显的震荡，这也是多层光栅结构的特性。为了使得禁带两侧的通带透射谱震荡峰减少，且提高通带的透过率，利用导纳匹配原理，通过对波导匹配区的长度进行调制，使得其导纳值达到一个特定的最优值Yop＝Xop+iZop。该最优值是通过计算的布拉格结构区最外层的导纳实现的，即下式：
其中，ηR和ηI是最外层的导纳实部和虚部，它是通过其宽度为dB的有效折射率为NB＝nB-iκB的材料来计算的，即：ηB＝ηR-iηI＝nB–iκB。正入射情况下有效相位厚度定义为δB＝α–iβ＝(2π/λ)(nB–iκB)dB。
匹配层的导纳由下式计算得出：
其中，正入射情况下相位厚度δM＝(2π/λ)nM dM是通过匹配层长度dM和匹配层的有效折射率nM在波长λ计算的。这里设定外界的环境折射率nsub＝1，通过调整dM使得YM的数值趋近于Yop即导纳匹配，继而实现对TM模式低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。
该多频段选频的混合等离激元波导布拉格光栅可以实现在1260nm和1400nm附近宽波段范围内TM模式的截止，通过改变匹配区的波导长度和光栅周期可以实现对指定波段内的通频带的动态选择，并且可以实现对通带及禁带的位置和透射谱的调节优化。该结构简单、设计流程简便，结构集成度高且容易制备，能够实现对指定波长激光的精准选择作用，以及实现动态宽波段的模式选频作用，在光通信、集成光学领域具有一定的应用价值。
本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：该混合等离激元波导布拉格光栅结构由两组不同周期结构的混合等离激元波导布拉格光栅以及入射和出射端的导纳匹配波导构成，两组混合等离激元波导布拉格光栅串联拼接。
2.根据权利要求1所述的一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅由两种波导交替排列形成，第二组混合等离激元波导布拉格光栅由两种波导交替排列形成。
3.根据权利要求2所述的一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅由金属Ag条和高折射率材料Si中间周期性地交替填充两种低折射率材料A和B构成，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅包括N个交替填充排列的两种低折射率材料A和B。
4.根据权利要求2所述的一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅由金属Ag条和高折射率材料Si中间周期性地交替填充两种低折射率材料A和B构成，所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅包括N个交替填充排列的两种低折射率材料A和B。
5.根据权利要求4所述的一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述低折射率材料A为TiO2，所述低折射率材料为SiO2。
6.根据权利要求1所述的一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅和第二组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N为15.5。
7.根据权利要求1所述的一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述布拉格光栅的周期为Λ＝d1+d2，具体的结构参数由下式确定：
其中：q是布拉格级数，通常取1；λb为布拉格波长；d1和d2分别为SiO2和TiO2材料在一个周期内的长度；neff，1和neff，2分别为低折射率材料SiO2和TiO2填充时的两种混合表面等离激元波导的有效折射率。
8.根据权利要求1所述的一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅和第二组混合等离激元波导布拉格光栅的周期分别为Λ1和Λ2，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅Λ1为284nm，所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅Λ2为244nm。
9.根据权利要求1所述的一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述入射端和出射端分别为SiO2和TiO2，入射端SiO2的长度为260nm，出射端TiO2的长度为370nm。
10.根据权利要求1所述的一种多波段选频的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅和第二组混合等离激元波导布拉格光栅的占空比不同。
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|---|---|---|---|---|
| CN111624706A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-09-04 | 南京邮电大学 | 一种tm、te模式禁带可调的混合等离激元波导布拉格光栅及其设计方法 |
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2018
- 2018-05-09 CN CN201820695503.9U patent/CN208314237U/zh active Active
Cited By (2)
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| CN111624706A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-09-04 | 南京邮电大学 | 一种tm、te模式禁带可调的混合等离激元波导布拉格光栅及其设计方法 |
| CN111624706B (zh) * | 2020-05-26 | 2023-03-07 | 南京邮电大学 | 一种tm、te模式禁带可调的混合等离激元波导布拉格光栅及其设计方法 |
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