一种芯片上可集成的多通道滤波分波器制造技术

本发明专利技术公开了一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，包括：金属纳米圆柱结构和长方体结构、高折射率介质圆弧结构和低折射率介质背景材料。其中金属纳米结构将入射光转化为表面等离激元模式，直接透射的表面等离激元与在金属纳米结构发射多重散射的表面等离激元发生干涉，干涉相消的表面等离激元不能通过结构，干涉相长的表面等离激元能够通过金属纳米结构，达到滤波的目的；在金属结构一侧，级联了具有光子能带的高折射率周期弧状结构，利用带隙对波长的选择性，将不同波长的光聚集到不同的输出端口，达到分波的功能。本发明专利技术多通道滤波分波器总尺寸为微米量级，对纳米光子学器件的集成具有重要意义，同时为超快速超宽带信号处理提供了新方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纳米光子学领域，具体描述一种芯片上可集成的多通道滤波分波器。
技术介绍
在自然界中许多动物对某些特定波段的电磁波信息特别敏感，可利用此波段的信息感知外界环境。例如，响尾蛇就是靠感知红外波段信息来捕食的，它是根据猎物身上发出的红外电磁波来确定猎物的位置。与动物这一特异功能类似，芯片上的滤波器，是对光波进行“过滤”的器件，即只有某些特定波长或特定带宽的光才能允许通过。芯片上的分波器能够将不同波长的光在空间分开并使其传播到不同输出端口。芯片上滤波分波器则集成了“滤波”和“分波”两种器件的功能，能够同时进行波长选择并将不同波长输送到不同端口，满足芯片上信号处理的需求。芯片上可集成的滤波分波器对多功能纳米器件的集成具有重要的研究价值，是实现光子芯片的基础，也为超宽带超快速的信息处理提供了新方法。表面等离激元是出现在金属和介质界面处自由电子的集体振荡模式，具有亚波长的模式面积，能够突破衍射极限，为实现芯片上的纳米光子学器件提供了有效工具。过去几年，研究者利用表面等离激元实现了具有滤波功能的纳米器件，也实现了具有分波功能的器件，然而，所实现的纳米器件功能比较单一，至今未能实现集成在同一个芯片上的滤波分波器件。此外，研究者可以利用光纤实现滤波和分波功能，但器件尺寸大，不利用芯片上的器件集成应用。因此在纳米尺度上实现芯片上可集成的滤波分波器是研究者面临的一大挑战。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种芯片上可集成的多通道滤波分波器。本专利技术提出了以低折射率介质为背景材料，依次排布成列的金属纳米圆柱结构、金属纳米长方体结构、高折射率介质的纳米圆弧结构。本专利技术提出的结构不仅适用于传统波分复用系统中具有分立波长的入射光源，而且适用于超连续光宽带入射光源。器件的结构为二维平板结构，总尺寸只有微米量级，结构紧凑，利于集成。另外，该器件具备极大的可调功能，可以利用激光对输出的波长进行调控，也可以通过简单地改变部分结构参数来改变滤波结构所滤波的波长和个数与分波结构的通道数量。本专利技术的技术解决方案是：一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，包括：背景材料(1)、两列尺寸相同周期性排列的纳米圆柱结构(2)、一列周期性排列的纳米长方体结构(3)、一列周期性排列的纳米圆柱结构(4)、纳米圆弧结构(5)；背景材料(1)为滤波分波器提供背景；金属纳米结构镶嵌在背景材料(1)中；金属纳米结构具有滤波功能，共有四列，从一侧开始依次分别为两列尺寸相同周期性排列的纳米圆柱结构(2)、一列周期性排列的纳米长方体结构(3)、一列周期性排列的纳米圆柱结构(4)；纳米圆弧结构(5)具有分波功能，镶嵌在背景材料(1)中，级联在金属纳米结构的另一侧；纳米圆弧结构(5)共有多个圆弧群，每个圆弧群包含多个圆弧。所述多通道滤波分波器的高度>1μm。所述背景材料(1)选择折射率nL>＝1的低折射率绝缘介质。所述金属纳米结构的材料选择贵金属。所述贵金属为金、银、铜或铝。所述纳米圆弧结构(5)的材料为具有高折射率的绝缘介质，折射率nH>nL，nL表示背景材料(1)的折射率。对于多通道滤波分波器，尺寸相同时，在选取了不同折射率的纳米圆弧结构(5)或金属纳米结构的材料的组合将会使多通道滤波分波器的波长不同。所述滤两列尺寸相同周期性排列的纳米圆柱结构(2)，互相平行，纵向周期性排列，每个纳米圆柱的半径为45nm–190nm，纵向周期性排列的相邻两个圆柱的圆心距离为250nm–1000nm，两列平行圆柱的圆心距离为250nm–1000nm。所述一列周期性排列的纳米长方体结构(3)与两列纳米圆柱结构(2)平行，并位于纳米圆柱结构(2)的一侧，纵向周期性排列，每个纳米长方体结构的宽度为50nm–200nm，长度为250nm-2000nm，纵向周期性排列的两个长方体的中心距离为500nm–2000nm,长方体的中心与左侧紧邻圆柱的球心距离为250nm–1000nm。所述滤波分波器包含一列纳米圆柱结构(4)，一列纳米圆柱结构(4)与一列纳米长方体结构(3)平行，位于一列纳米长方体结构(3)平行一侧，纵向周期性排列，每个纳米圆柱的半径为45nm–190nm，纵向周期性排列的两个圆柱的圆心距离为250nm–1000nm，圆柱的圆心与左侧紧邻长方体的中心距离250nm–1000nm。所述一列周期性排列的纳米圆弧结构(4)的圆弧群的数目对应多通道滤波分波器所滤出的波长数目。所述纳米圆弧结构(5)中圆弧群包含3-6个圆弧，每个圆弧取整圆的三分之一到二分之一，整圆的半径为500nm–1500nm，圆弧宽度为50nm–500nm，相邻两个圆弧的外边距离为100nm–1000nm。所述两列尺寸相同周期性排列的纳米圆柱结构(2)与一列周期性排列的纳米圆柱结构(4)的尺寸可以相同，也可以不相同。所述多通道滤波分波器的总尺寸为微米量级。本专利技术的原理是：本专利技术的多通道滤波分波器的结构包括：金属纳米圆柱结构和长方体结构、高折射率介质圆弧结构和低折射率介质背景材料。其中金属纳米结构将入射光转化为表面等离激元模式，直接透射的表面等离激元与在金属纳米结构发射多重散射的表面等离激元发生干涉，干涉相消的表面等离激元不能通过结构，干涉相长的表面等离激元能够通过金属纳米结构，达到滤波的目的；进一步地，在金属结构右侧，级联了具有光子能带的高折射率周期弧状结构，利用带隙对波长的选择性，将不同波长的光聚集到不同的输出端口，达到分波的功能。本专利技术所提出的片上多通道滤波分波器总尺寸为微米量级，并且器件的工作波段和滤波分波的通道数目很容易通过调整结构参数或利用激光进行调控。这种芯片上可集成的多通道滤波分波器对纳米光子学器件的集成具有重要意义，同时为超快速超宽带信号处理提供了新方法。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)本专利技术设计的芯片上的金属/介质杂化纳米结构同时具有滤波和分波功能，能够将分立波长的入射光或超连续光谱的入射光进行滤波并进一步使滤出的波长在空间上分开，传播到不同的输出端。与传统的波分复用系统相比，本专利技术的结构能够对入射的超连续光谱进行滤波和分波；与芯片上纳米滤波和分波器件相比，本专利技术首次实现了两种功能器件的集成，同时达到滤波和分波的目的。(2)金属结构和高折射率介质圆弧结构的尺寸皆处于纳米量级，器件整体尺寸为微米量级，使得该器件在完成滤波和分波功能的同时，有效地降低了器件整体的空间占用率，利于芯片上纳米光子学器件的集成应用。(3)本专利技术设计的器件，很容易通过施加一定强度的激光、电压、温度等方式改变材料的折射率来调节器件的工作波段和滤波分波的波长大小，使得该器件在实际应用中具有很大灵活性。(4)本专利技术设计的器件，能够通过改变结构的部分参数增加滤波的通道个数，并且器件的总尺寸依然保持紧凑，变化不超过20％。(5)本专利技术设计的器件结构简单，尺寸极小，集成化程度较高，功能更为全面，有利于降低成本，扩大应用范围，通用性和实用价值大大提高，更具备工程价值。附图说明图1为本专利技术结构的立体示意图；图2为本专利技术滤波部分结构的平面示意图；图3为本专利技术分波部分结构的平面示意图；图4为所给定参数下滤波部分对波长为750nm-1800nm的波的透过率示意图；图5为背景材料折射率分别为1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，其特征在于包括：背景材料(1)、两列尺寸相同周期性排列的纳米圆柱结构(2)、一列周期性排列的纳米长方体结构(3)、一列周期性排列的纳米圆柱结构(4)、纳米圆弧结构(5)；背景材料(1)为滤波分波器提供背景；金属纳米结构镶嵌在背景材料(1)中；金属纳米结构具有滤波功能，共有四列，从一侧开始依次分别为两列尺寸相同周期性排列的纳米圆柱结构(2)、一列周期性排列的纳米长方体结构(3)、一列周期性排列的纳米圆柱结构(4)；纳米圆弧结构(5)具有分波功能，镶嵌在背景材料(1)中，级联在金属纳米结构的另一侧；纳米圆弧结构(5)共有多个圆弧群，每个圆弧群包含多个圆弧。

【技术特征摘要】
1.一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，其特征在于包括：背景材料(1)、两列尺寸相同周期性排列的纳米圆柱结构(2)、一列周期性排列的纳米长方体结构(3)、一列周期性排列的纳米圆柱结构(4)、纳米圆弧结构(5)；背景材料(1)为滤波分波器提供背景；金属纳米结构镶嵌在背景材料(1)中；金属纳米结构具有滤波功能，共有四列，从一侧开始依次分别为两列尺寸相同周期性排列的纳米圆柱结构(2)、一列周期性排列的纳米长方体结构(3)、一列周期性排列的纳米圆柱结构(4)；纳米圆弧结构(5)具有分波功能，镶嵌在背景材料(1)中，级联在金属纳米结构的另一侧；纳米圆弧结构(5)共有多个圆弧群，每个圆弧群包含多个圆弧。2.根据权利要求1所述的一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，其特征在于：所述多通道滤波分波器的高度>1μm。3.根据权利要求1或2所述的一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，其特征在于：所述背景材料(1)选择折射率nL>＝1的低折射率绝缘介质。4.根据权利要求1所述的一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，其特征在于：所述金属纳米结构的材料选择贵金属。5.根据权利要求4所述的一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，其特征在于：所述贵金属为金、银、铜或铝。6.根据权利要求1所述的一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，其特征在于：所述纳米圆弧结构(5)的材料为具有高折射率的绝缘介质，折射率nH>nL，nL表示背景材料(1)的折射率。7.根据权利要求1所述的一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，其特征在于：对于多通道滤波分波器，尺寸相同时，在选取了不同折射率的纳米圆弧结构(5)或金属纳米结构的材料的组合将会使多通道滤波分波器的波长不同。8.根据权利要求1所述的一种芯片上可集成的多通道滤波分波器，其特征在于：所述两列尺寸相同周期性排列的纳米圆柱结构(2)，互相平行，纵向周期性排列，每个纳米圆柱的半径为45nm–190nm，纵向...

【专利技术属性】
技术研发人员：路翠翠，郭树城，肖林，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11