CN208459628U - 一种具有tm、te模式双禁带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具有TM、TE模式双禁带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由两种混合等离激元波导波导交替排列N个周期构成，每种所述混合等离激元波导均包括三层结构，所述第一层结构为高折射率介质材料Si，第二层结构为低折射率介质材料SiO2，第三层结构为金属Ag，所述第二层结构位于第一层结构与第三层结构之间。该混合等离激元波导布拉格光栅结构简单、设计流程简便，结构集成度高且容易制备，可以在两个指定波段处实现TM和TE模式共同截止或TM模式偏振通过TE模式截止，通过改变两种波导的高折射率介质宽度w1并适当调整光栅周期单元长度和周期数，可以实现对指定波段内的通频带的动态选择。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种具有TM、TE模式双禁带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器件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。
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模式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，提出一种具有TM、TE模式双禁带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：一种具有TM、TE模式双禁带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由两种混合等离激元波导波导交替排列N个周期构成，每种所述混合等离激元波导均包括三层结构，即第一层结构、第二层结构和第三层结构，所述第一层结构为高折射率介质材料，第二层结构为低折射率介质材料，第三层结构为金属，所述第二层结构位于第一层结构与第三层结构之间。
优选地，所述第一层结构为高折射率介质材料Si，所述第二层结构为低折射率介质材料SiO2，所述第三层结构为金属Ag。
优选地，该混合等离激元波导布拉格光栅由两种混合等离激元波导波导交替排列构成。
优选地，所述两种混合等离激元波导的高折射率介质层Si宽度w1取不同值，所述第一种波导的高折射率介质层Si宽度为a，所述第二种波导的高折射率介质层Si宽度为b。
优选地，所述第一种波导的高折射率介质层Si宽度a为150nm，所述第二种波导的高折射率介质层Si宽度b为320nm。
优选地，所述混合等离激元波导布拉格光栅的两种波导的高折射率介质层Si宽度交替排列的顺序为bab...ab。
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；d1和d2分别为w1取a和b时高折射率介质层Si材料在一个周期内的长度，neff1和neff2分别为w1取a和b时的两种混合等离激元波导的有效折射率。
优选地，所述两种混合等离激元波导在一个周期内取相同长度，即d1＝d2＝Λ/2。
优选地，所述混合等离激元波导布拉格光栅的周期数为N，所述周期数N＝10.5。
优选地，所述混合等离激元波导布拉格光栅的周期Λ＝376nm。
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结构简单、设计流程简便，结构集成度高且容易制备，可以在两个指定波段处实现TM和TE模式共同截止或TM模式偏振通过TE模式截止。通过改变两种波导的高折射率介质宽度w1并适当调整光栅周期单元长度和周期数，可以实现对指定波段内的通频带的动态选择，并且可以实现对高频通带及高频禁带的位置和透射谱的调节优化，可用于实现紧凑型光学偏振滤波器件，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为本实用新型的一种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俯视结构示意图(不含包层PMMA)。
图3为高折射率材料Si宽度w1＝150nm时TM和TE模式有效折射率的实部随波长的变化曲线。
图4为高折射率材料Si宽度w1＝150nm时TM和TE模式有效折射率的虚部随波长的变化曲线。
图5为高折射率材料Si宽度w1＝320nm时TM和TE模式有效折射率的实部随波长的变化曲线。
图6为高折射率材料Si宽度w1＝320nm时TM和TE模式有效折射率的虚部随波长的变化曲线。
图7为当结构参数设为：a＝150nm，b＝320nm，Λ＝376nm，d1＝d2＝Λ/2，N＝10.5，光栅的两种波导的高折射率介质层Si宽度交替排列的顺序为bab...ab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和TE模式透射谱。
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具有TM、TE模式双禁带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由N个两种混合等离激元波导波导交替排列构成，在本技术方案中，该混合等离激元波导布拉格光栅优选为由两种波导交替排列构成。
具体地，每种所述混合等离激元波导均包括三层结构，即第一层结构、第二层结构和第三层结构，所述第一层结构为高折射率介质材料，第二层结构为低折射率介质材料，第三层结构为金属，所述第二层结构位于第一层结构与第三层结构之间。所述第一层结构为高折射率介质材料Si，所述第二层结构为低折射率介质材料SiO2，所述第三层结构为金属Ag。所述两种混合等离激元波导的高折射率介质层Si宽度w1取不同值，所述第一种波导的高折射率介质层Si宽度为a，所述第二种波导的高折射率介质层Si宽度为b。所述两种混合等离激元波导的高折射率介质层Si高度均为h1＝250nm，低折射率介质层SiO2和金属层Ag的高度分别为h3＝50nm和h4＝300nm，宽度均为w2＝1000nm。
所述混合等离激元波导布拉格光栅的周期数为N，所述周期数N＝10.5。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；d1和d2分别为w1取a和b时高折射率介质层Si材料在一个周期内的长度，neff1和neff2分别为w1取a和b时的两种混合等离激元波导的有效折射率。在本技术方案中，所述第一种波导的高折射率介质层Si宽度为150nm，所述第二种波导的高折射率介质层Si宽度为320nm。所述混合等离激元波导布拉格光栅的周期A＝376nm，所述两种波导在一个周期内取相同长度，即d1＝d2＝Λ/2。所述混合等离激元波导布拉格光栅的入射端和出射端均为高折射率介质层Si宽度w1＝320nm的波导。
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，该结构的材料分布如下所述：h1*w1区域为高折射率介质层Si；h3*w2区域为低折射率介质层SiO2；h4*w2区域为金属Ag；h2*w2(除去以上所述部分)为PMMA包层。该结构的尺寸设置如下：h1＝250nm，h2＝650nm，h3＝50nm，h4＝300nm，w1＝300nm，w2＝1000nm；其中，w1为高折射率材料Si的宽度，w2为金属Ag(同时也是低折射率材料SiO2和包层PMMA)的宽度，h1为高折射率材料Si的高度，h2为包层PMMA的高度，h3为低折射率材料Si02的高度，h4为Ag的高度。
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俯视结构示意图(不含包层PMMA)。其中L*w2区域为低折射率层与金属层，材料分别是SiO2和Ag，a*d1和b*d2交替排列区域均为高折射率材料Si。光栅一个周期的长度为Λ，其他结构材料与参数皆与图1中一致，具体地，在本技术方案中，A＝376nm，d1＝d2＝Λ/2＝188nm，a＝150nm，b＝320nm，布拉格光栅高低折射率交替排列的周期数N为10.5，光栅深度L＝N*Λ。
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1200nm～2000nm，步长为10nm，计算不同波长下该结构的有效折射率，计算结果包含了当高折射率材料Si宽度w1＝150nm时TM和TE模式有效折射率的实部与虚部。改变高折射率层的宽度w1为320nm，其他尺寸不变，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，计算结果包含了当高折射率材料Si宽度w1＝320nm时TM和TE模式有效折射率的实部与虚部。图3即为高折射率材料Si宽度w1＝150nm时TM和TE模式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，纵坐标为折射率实部。图4即为高折射率材料Si宽度w1＝150nm时TM和TE模式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，纵坐标为折射率虚部。图5即为高折射率材料Si宽度w1＝320nm时TM和TE模式有效折射率的实部随波长的变化曲线，图5中横坐标为波长，纵坐标为折射率实部；图6即为高折射率材料Si宽度w1＝320nm时TM和TE模式有效折射率的虚部随波长的变化曲线，图6中横坐标为波长，纵坐标为折射率虚部。
当结构参数设为：a＝150nm，b＝320nm，Λ＝376nm，d1＝d2＝Λ/2，N＝10.5，光栅的两种波导的高折射率介质层Si宽度交替排列的顺序为bab...ab时得到如图7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和TE模式透射谱，图7中横坐标为波长，纵坐标为传输效率。
该混合等离激元波导布拉格光栅能够实现在1550nm附近波段范围内TM和TE模式形成重叠的禁带，即TM和TE模式同时截止，在1400nm附近波段范围内TM模式偏振通过而TE模式截止。通过改变两种波导的高折射率介质宽度w1并适当调整光栅长度和周期数，可以实现对指定波段内的通频带的动态选择，并且可以实现对高频通带及高频禁带的位置和透射谱的调节优化。
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)
1.一种具有TM、TE模式双禁带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由两种混合等离激元波导波导交替排列N个周期构成，每种所述混合等离激元波导均包括三层结构，即第一层结构、第二层结构和第三层结构，所述第一层结构为高折射率介质材料，第二层结构为低折射率介质材料，第三层结构为金属，所述第二层结构位于第一层结构与第三层结构之间。
2.根据权利要求1所述的一种具有TM、TE模式双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述第一层结构为高折射率介质材料Si，所述第二层结构为低折射率介质材料SiO2，所述第三层结构为金属Ag。
3.根据权利要求2所述的一种具有TM、TE模式双禁带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由两种混合等离激元波导交替排列构成。
4.根据权利要求3所述的一种具有TM、TE模式双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述两种混合等离激元波导的高折射率介质层Si宽度w1取不同值，所述第一种波导的高折射率介质层Si宽度为a，所述第二种波导的高折射率介质层Si宽度为b。
5.根据权利要求4所述的一种具有TM、TE模式双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述第一种波导的高折射率介质层Si宽度a为150nm，所述第二种波导的高折射率介质层Si宽度b为320nm。
6.根据权利要求4所述的一种具有TM、TE模式双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述混合等离激元波导布拉格光栅的两种波导的高折射率介质层Si宽度交替排列的顺序为bab...ab。
7.根据权利要求4所述的一种具有TM、TE模式双禁带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，取1；d1和d2分别为w1取a和b时高折射率介质层Si材料在一个周期内的长度，neff1和neff2分别为w1取a和b时的两种混合等离激元波导的有效折射率。
8.根据权利要求7所述的一种具有TM、TE模式双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述两种混合等离激元波导在一个周期内取相同长度，即d1＝d2＝Λ/2。
9.根据权利要求1所述的一种具有TM、TE模式双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述混合等离激元波导布拉格光栅的周期数为N，所述周期数N＝10.5。
10.根据权利要求1所述的一种具有TM、TE模式双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述混合等离激元波导布拉格光栅的周期Λ＝376nm。
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