CN210894774U - 一种可调控光谱的波导耦合谐振器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可调控光谱的波导耦合谐振器件，包括基板以及设置于所述基板内部的第一波导、第二波导、第一耦合器、第二耦合器、谐振腔、一个或多个直角形谐振空腔，直角形谐振空腔以及谐振腔依次设于条形的第一波导和第二波导之间，第一耦合器设于第一波导与谐振腔之间，第二耦合器设于第二波导与谐振腔之间并形成有效耦合结构。通过在金属‑介质‑金属波导结构中控制耦合谐振腔的长度、宽度及其与波导的耦合距离；添加耦合谐振腔，调节耦合谐振腔的数量、长度以及耦合谐振腔与波导位置之间的耦合距离，可以调控结构中光谱响应的模数，从而选择输出需要的器件性能并提高纳米集成光学器件的集成度与工作性能。

Description

一种可调控光谱的波导耦合谐振器件

技术领域

本实用新型涉及光学器件技术领域，尤其涉及一种可调控光谱的波导耦合谐振器件。

背景技术

近年来，许多学者已经通过大量实验在理论和数值上验证了基于表面等离子体激元的亚波长金属-介质-金属波导结构的可行性与可构造性，大量微纳集成光子学器件被设计用于各应用领域中并已经实现。例如光开关(optical switch)，分束器(splitter)、耦合器(couplers)、马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometers)、Y-形合成器(Y-shaped combiners)和光选择器件(filter)等。其中，以金属-介质-金属波导为主体结构的光选择器件在集成光子学器件与全光信号处理领域中备受关注，且近年来得到了快速的发展与完善。基于金属-介质-金属波导的光选择器件基于设计方式可大致分为两大类别：第一类是基于直接相位相干的光选择器件，如凹槽形光选择器件、短柱形光选择器件。表面等离子体激元在金属介质界面沿不同光路传播相遇时发生干涉效应，相遇时刻的相位差将决定光选择器件对光谱通阻响应的调控；第二类是基于耦合谐振腔的共振干涉来实现光谱调控的光选择器件，例如圆环形耦合谐振腔光选择器件、直腔形耦合谐振腔光选择器件和矩形耦合谐振腔光选择器件。当表面等离子体激元耦合进入谐振腔后，只有满足谐振腔体共振条件的表面等离子体才能在腔体内形成稳定的驻波，才能够从谐振腔中耦合到输出波导端口中。由于其中的波长比例限制，难以对共振模式进行调控。

实用新型内容

本实用新型为解决现有的基于耦合谐振腔共振干涉来实现光谱调控的光选择器件难以对共振模式进行调控的问题，提供了一种可调控光谱的波导耦合谐振器件。

为实现以上实用新型目的，而采用的技术手段是：

一种可调控光谱的波导耦合谐振器件，包括基板以及设置于所述基板内部的第一波导、第二波导、第一耦合器、第二耦合器、谐振腔、一个或多个直角形谐振空腔，所述直角形谐振空腔以及谐振腔依次设于条形的第一波导和第二波导之间，所述第一耦合器设于第一波导与谐振腔之间，第二耦合器设于第二波导与谐振腔之间并形成有效耦合结构。

优选的，所述第一波导的一端以及第二波导的一端均分别位于基板的端部，所述第一波导的另一端以及第二波导的另一端均沿基板内部方向延伸形成条形空腔，所述第一波导与第二波导相垂直且两者的中心轴线互不相交；所述谐振腔设于第一波导的另一端与第二波导的另一端之间，所述第一耦合器设于第一波导的另一端与谐振腔之间，所述第二耦合器设于第二波导的另一端与谐振腔之间。

优选的，所述基板包括基板顶面、基板底面以及设于所述基板顶面与基板底面之间的基板侧面，所述基板侧面包括依次相连的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，所述第一波导的另一端从所述第一侧面朝向第三侧面延伸，所述第二波导的另一端从所述第四侧面朝向第二侧面延伸。

优选的，所述第一波导的一端为第一开口端，所述第二波导的一端为第二开口端，所述第一波导的另一端为第一封闭端，所述第二波导的另一端为第二封闭端。

优选的，所述基板为银质基板。

优选的，所述第一波导和第二波导的横截面均呈矩形状，所述第一波导沿自身中心轴线的截面以及第二波导沿自身中心轴线的截面均呈矩形状。

优选的，所述谐振腔为回字形空腔。

优选的，所述谐振腔包括依次连通设置的第一谐振空腔、第二谐振空腔、第三谐振空腔以及第四谐振空腔，所述第二谐振空腔的中心轴线与所述第一波导的中心轴线相重合，所述第三谐振空腔的中心轴线与所述第二波导的中心轴线相重合，所述第一谐振空腔与第二波导平行，所述第四谐振空腔与第一波导相平行。

优选的，组成每个所述直角形耦合谐振腔的两谐振空腔均分别与第一波导及第二波导相平行，所述直角形耦合谐振腔位于所述谐振腔的外侧且其开口朝向所述谐振腔；对于每个直角形耦合谐振腔，其一端与第一波导的耦合距离与其另一端与第二波导的耦合距离相同。

与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：

本实用新型的波导耦合谐振器件通过在金属-介质-金属波导结构中控制耦合谐振腔的长度、宽度及其与波导的耦合距离；添加耦合谐振腔，调节耦合谐振腔的数量、长度以及耦合谐振腔与波导位置之间的耦合距离，可以调控结构中光谱响应的模数，从而选择输出所需要的器件性能，如滤波、折射率传感、光开关和光纤色散补偿等，实现光谱内多通道滤波以及具有尖锐、非对称线形的Fano共振通道，并可进一步提高纳米集成光学器件的集成度与工作性能。

附图说明

图1为实施例1不包含直角形耦合谐振腔的波导耦合谐振器件示意图。

图2为实施例1的波导耦合谐振器件示意图。

图3为实施例2的波导耦合谐振器件示意图。

图4为实施例3的波导耦合谐振器件示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。

实施例1

一种可调控光谱的波导耦合谐振器件，如图1所示，包括基板1、第一波导2、第二波导3、第一耦合器、第二耦合器和谐振腔4，所述基板1包括基板1顶面、基板1底面以及设于所述基板1顶面与基板1底面之间的基板1侧面，所述基板1侧面包括依次相连的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，所述第一波导2的另一端从所述第一侧面朝向第三侧面延伸从而沿基板1内部方向延伸形成条形空腔，所述第二波导3的另一端从所述第四侧面朝向第二侧面延伸从而沿基板1内部方向延伸形成条形空腔。其中第一波导2的一端为第一开口端，所述第二波导3的一端为第二开口端，所述第一波导2的另一端为第一封闭端，所述第二波导3的另一端为第二封闭端；第一波导2与第二波导3相垂直且两者的中心轴线互不相交；所述谐振腔4设于第一波导2的另一端与第二波导3的另一端之间，所述第一耦合器设于第一波导2的另一端与谐振腔4之间，所述第二耦合器设于第二波导3的另一端与谐振腔4之间。其中谐振腔4包括依次连通设置的第一谐振空腔、第二谐振空腔、第三谐振空腔以及第四谐振空腔，所述第二谐振空腔的中心轴线与所述第一波导2的中心轴线相重合，所述第三谐振空腔的中心轴线与所述第二波导3的中心轴线相重合，所述第一谐振空腔与第二波导3平行，所述第四谐振空腔与第一波导2相平行。其中第一波导2和第二波导3的横截面均呈矩形状，所述第一波导2沿自身中心轴线的截面以及第二波导3沿自身中心轴线的截面均呈矩形状。所述谐振腔4为回字形空腔。在本实施例中，第一波导2和第二波导3的宽度为d，第一波导2或第二波导3与谐振腔4之间的耦合距离为g₀。

以上为实施例1还未增加直角形耦合谐振腔前的单谐振腔结构(以下简称为结构1)。下面首先对该结构1进行说明：

光波从第一波导2的第一开口端进入，沿着第一波导2的表面传输至第一封闭端后，通过第一耦合器将光耦合至谐振腔4内，光在谐振腔4的表面传播到谐振腔4的输出端，然后通过第二耦合器将光耦合至第二波导3的第二封闭端，光沿着第二波导3的表面进行传输至第二波导3的第二开口端。

根据Fabry-Pérot(FP)共振条件，腔内的SPP共振模的相位应满足以下条件：

其中k为波矢，λ为入射光波波长，m为共振模式阶数，n为折射率，l为有效共振腔长；色散与时延满足如下关系式：

根据以上公式可知，该结构的谐振波长应满足1：1/2：1/3……的比例关系，若想在光谱不同波长上获得不同的模式，可以调节有效共振腔长实现共振峰波长的偏移。

Fano共振是离散态能级(狭窄非辐射的暗模式)与连续态能带(宽广辐射的亮模式)之间相互作用形成的一种共振效应，即明暗两种模式的相干干涉效应结果，其中明模一般为入射光波直接激发的谐振腔内模式，暗模则为等离子体间接激发的谐振腔内模式。因此，通常可以在波导结构中设置一个基础谐振腔生成明模，再在基础谐振腔上耦合其他谐振空腔用于诱导出暗模，从而使两个模式之间发生相干干涉效应，最终形成Fano共振通道。

基于此设计原理，在本实施例中初始设置谐振腔4与第一波导2或第二波导3的耦合距离g₀＝20nm，回字形谐振腔4的各谐振空腔的长均为L₀＝270nm，第一波导2、第二波导3的宽d＝50nm，并且在下面的讨论中，保持g₀、L₀和d的大小不变。可得到结果：在871nm和1573nm两处附近形成洛伦茨对称线型共振透射峰，在753nm附近产生了一个具有尖锐且不对称线型的Fano共振峰，其透射率分别为0.68、0.45和0.08，半高全宽FWHM分别为28、33和8，且在光谱其他范围的光波场强接近于0cd，该结构下可以在共振峰带宽内选择输出指定波长的光波，且滤去其他波长的光波，因此该结构1可于该三通道实现带通滤波功能。

由于结构1中单谐振腔中模式的波长比例限制，不便于调谐，本实施例1想在原共振峰的谐振波长外形成共振通道实现各种功能，因此添加额外的耦合谐振腔，构建新的表面等离子体激元传播的光路，以使结构内的不同模式互相作用产生相干干涉效应(以下简称为结构2)。结构2具体如下：在结构1的基础上增加一个第一直角形耦合谐振腔5，如图2所示，组成每个第一直角形耦合谐振腔5的两谐振空腔均分别与第一波导2及第二波导3相平行，所述第一直角形耦合谐振腔5位于所述谐振腔4的外侧且其开口朝向所述谐振腔4(在图2中位于谐振腔4左侧，第一波导2与第二波导3之间)；第一直角形耦合谐振腔5一端与第一波导2的距离以及第一直角形耦合谐振腔5另一端与第二波导3的耦合距离均为g₁＝15nm，两谐振空腔的长均为L₀＝330nm。通过与实施例1的单回字形谐振腔结构的结果相比，添加第一直角形耦合谐振腔5后可得到更优异的结果，谐振腔4产生的原透射峰的中心波长保持在原来的758nm、871nm、1573nm，即可保证谐振腔4的光波波长保持原在原谐振点输出，结构2与传统的FP腔相比，可灵活地调谐模式，而原结构1的模式基本不受影响，其通带性能基本保持不变，这大大增加了器件的拓展性能。此外，光波在沿谐振腔4的光路传播与沿第一直角形耦合谐振腔5的光路传播到第二波导3时，由于明暗模的相干干涉效应，在683nm和1267nm波长处出现了新的Fano共振峰，透射率分别为0.30和0.29。通过FDTD可验证Fano共振峰的性能，根据公式计算在表格1中给出了对应所有共振峰波峰与波谷处的时延，Fano共振窗口内有着正负时延之间的变化，且在波峰或波谷处达到对应的最值，这是由于Fano共振窗口内相位跳变产生的独特的性质，而在洛伦茨共振窗口内由于相位变化缓慢，因此一般只在波峰或波谷其一处有数值，故据此可以清楚地辨别尖锐不对称线型的Fano共振峰。同时，对应于Fano波峰值或波谷值的正或负时延，可在光纤通信中用于色散补偿技术或应用于光缓存与存储等应用中。

表1添加第一直角形耦合谐振腔5前后对应共振峰波峰与波谷处的时延Fano共振峰由于其尖锐且不对称的光谱相应，传感性能也非常优异，表2分析了结构2折射率变化时Fano共振峰的波长偏移情况，可以看出在折射率以步长为2在增长时，Fano共振波峰的波长以近乎线性方式在偏移，即在光谱上有一个红移现象，从而在实际应用可以有很大的用途，如器件周边环境因素(温度，浓度，或压力等)发生变化时，将会引起介质折射率的变化，从而影响透射光谱，因此可以通过检测Fano共振峰的波长偏移量，计算出折射率变化量，从而计算出环境因素的变化量。因此，像这样可调控Fano共振光谱的耦合谐振器件可以广泛应用到光传感领域中。

表2结构2对应折射率变化的共振峰波峰波长变化情况

实施例2

由于Fano共振的卓越性能不像洛伦茨共振仅限于滤波功能，在本实施例中重点研究Fano共振的产生与性能(本实施例2提供的波导耦合谐振器件在下述简称为结构3)。基于上述分析的结构的高度可拓展性，本实施例2在实施例1的基础上增加了第二直角形耦合谐振腔6，并利用两个耦合器将入射光耦合进入第二直角形耦合谐振腔6以及将光耦合传输到第二波导3端输出。如图3所示，第二直角形耦合谐振腔6的两谐振空腔均分别与第一波导2及第二波导3相平行，第二直角形耦合谐振腔6位于第一直角形耦合谐振腔5的外侧且其开口朝向第一直角形耦合谐振腔5(在图3中位于第一直角形耦合谐振腔5左侧，第一波导2与第二波导3之间)；第二直角形耦合谐振腔6一端与第一波导2的距离以及第二直角形耦合谐振腔6另一端与第二波导3的耦合距离均为g2。固定实施例1的已有参数值，改变第二直角形耦合谐振腔6的两谐振空腔长度，设为L₂＝570nm，其与第一波导2或第二波导3的耦合距离g²设为g₂＝25nm，从而为表面等离子体激元构建了新的传播光路，因此将有部分表面等离子体激元将沿此光路传播到第二波导3与沿其他光路传播的表面等离子激元发生相干干涉效应，可得到结果：在光谱743nm，1076nm和1393nm处形成了三个新的尖锐且不对称的Fano共振峰，透射率分别为0.41、0.29和0.26，结构2中在758nm处的Fano与第二直角形耦合谐振腔6中的模式发生简并，最后形成了在743nm处的新法诺，故结构3一共拥有五个Fano共振通道，根据前面Fano共振的性能分析，可以在这五个通道中选择特定功能输出，从而实现单器件多进程的输出。下面表格中研究分析了对应这五个Fano的性能，表格3给出了结构3对应的Fano共振峰在波峰与波谷处的时延，表格4给出了结构3对应折射率变化的Fano共振峰波峰波长变化情况：

表3结构3对应的Fano共振峰在波峰与波谷处的时延

表4结构3对应折射率变化的Fano共振峰波峰波长变化情况

根据结构2与结构3的分析可知，在合适位置增加波导耦合腔，可有效的调控Fano共振峰的个数，进而有效地运用到全光信息处理等应用当中。

实施例3

基于前述的整体分析，若需要实现集成光子电路，更多的有效输出通道是必须的，本实施例3在实施例2的基础上增加了第三直角形耦合谐振腔7(本实施例2提供的波导耦合谐振器件在下述简称为结构4)，如图4所示，第三直角形耦合谐振腔7的两谐振空腔均分别与第一波导2及第二波导3相平行，第三直角形耦合谐振腔7位于第二直角形耦合谐振腔6的外侧且其开口朝向第二直角形耦合谐振腔6(在图4中位于第二直角形耦合谐振腔6左侧，第一波导2与第二波导3之间)；第三直角形耦合谐振腔7的两谐振空腔长度设置为L₃＝930nm，与第一波导2或第二波导3的耦合距离为g₃＝15nm，由于新光路的形成，第三直角形耦合谐振腔7中将产生新的模式，这些模式将与原结构内的明模相互反应，发生干涉效应，最终产生Fano共振，结构4可产生Fano共振通道的数量为8个，分别在888nm、1012nm和1177nm处形成新的尖锐且不对称的Fano共振峰。

以上结果表明，在金属-介质-金属波导结构中引入耦合谐振腔可有效调控谐振腔的共振模式，通过系统地研究耦合腔体长度、数量等参数对传播特性的影响，改变谐振腔的共振模式，该结构可实现滤波特性并对Fano共振进行有效地调谐，实现多个尖锐非对称线型的Fano共振峰，可广泛用于光传感与光通信等领域。

需要说明的是，以上实施例中所有波导以及谐振空腔内的介质均为水，以此为基础进行讨论说明。但在实际应用中，也可以填充空气或其他介质。

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可调控光谱的波导耦合谐振器件，其特征在于，包括基板以及设置于所述基板内部的第一波导、第二波导、第一耦合器、第二耦合器、谐振腔、一个或多个直角形耦合谐振腔，所述直角形耦合谐振腔以及谐振腔依次设于条形的第一波导和第二波导之间，所述第一耦合器设于第一波导与谐振腔之间，第二耦合器设于第二波导与谐振腔之间并形成有效耦合结构。

2.根据权利要求1所述的可调控光谱的波导耦合谐振器件，其特征在于，所述第一波导的一端以及第二波导的一端均分别位于基板的端部，所述第一波导的另一端以及第二波导的另一端均沿基板内部方向延伸形成条形空腔，所述第一波导与第二波导相垂直且两者的中心轴线互不相交；所述谐振腔设于第一波导的另一端与第二波导的另一端之间，所述第一耦合器设于第一波导的另一端与谐振腔之间，所述第二耦合器设于第二波导的另一端与谐振腔之间。

3.根据权利要求2所述的可调控光谱的波导耦合谐振器件，其特征在于，所述基板包括基板顶面、基板底面以及设于所述基板顶面与基板底面之间的基板侧面，所述基板侧面包括依次相连的第一侧面、第二侧面、第三侧面和第四侧面，所述第一波导的另一端从所述第一侧面朝向第三侧面延伸，所述第二波导的另一端从所述第四侧面朝向第二侧面延伸。

4.根据权利要求2所述的可调控光谱的波导耦合谐振器件，其特征在于，所述第一波导的一端为第一开口端，所述第二波导的一端为第二开口端，所述第一波导的另一端为第一封闭端，所述第二波导的另一端为第二封闭端。

5.根据权利要求1所述的可调控光谱的波导耦合谐振器件，其特征在于，所述基板为银质基板。

6.根据权利要求1所述的可调控光谱的波导耦合谐振器件，其特征在于，所述第一波导和第二波导的横截面均呈矩形状，所述第一波导沿自身中心轴线的截面以及第二波导沿自身中心轴线的截面均呈矩形状。

7.根据权利要求2所述的可调控光谱的波导耦合谐振器件，其特征在于，所述谐振腔为回字形空腔。

8.根据权利要求7所述的可调控光谱的波导耦合谐振器件，其特征在于，所述谐振腔包括依次连通设置的第一谐振空腔、第二谐振空腔、第三谐振空腔以及第四谐振空腔，所述第二谐振空腔的中心轴线与所述第一波导的中心轴线相重合，所述第三谐振空腔的中心轴线与所述第二波导的中心轴线相重合，所述第一谐振空腔与第二波导平行，所述第四谐振空腔与第一波导相平行。

9.根据权利要求7所述的可调控光谱的波导耦合谐振器件，其特征在于，组成每个所述直角形耦合谐振腔的两谐振空腔均分别与第一波导及第二波导相平行，所述直角形耦合谐振腔位于所述谐振腔的外侧且其开口朝向所述谐振腔；对于每个直角形耦合谐振腔，其一端与第一波导的耦合距离与其另一端与第二波导的耦合距离相同。

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