一种混合等离激元波导布拉格光栅制造技术

本发明专利技术公开了一种混合等离激元波导布拉格光栅，混合等离激元波导布拉格光栅包括金属Ag层、高折射率材料Si层以及Ag层和Si层中间填充的低折射率层。本发明专利技术所提供的HPWBG可以实现在禁带1550nm附近宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射，且可以实现低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。

A hybrid plasmon waveguide Prague grating

The invention discloses a hybrid plasmon waveguide Prague grating, and the mixed plasmon waveguide Prague grating includes a metal Ag layer, a high refractive index material Si layer, and a low refractive index layer filled in the middle of the Ag layer and the Si layer. The HPWBG provided by the invention can realize the transmission of the TM mode in the wide band range near the forbidden band 1550nm and the transmission of the TE mode, and the transmission spectrum optimization of the low frequency passband, the high frequency passband and the band gap can be realized.

【技术实现步骤摘要】
一种混合等离激元波导布拉格光栅
本专利技术属于用于光通信、集成光学等领域的人工微结构材料，尤其涉及一种混合等离激元波导布拉格光栅。
技术介绍
近年来人们发展了多种纳米光波导结构来满足集成光子器件领域的高集成度要求，如光子晶体波导、等离激元波导等。其中，表面等离激元波导因其突破衍射极限的尺度和光电集成的材料特性被广泛关注。然而金属带来的损耗导致波导模式的传播距离很小，限制了表面等离激元波导及波导型器件的应用。因此能有效降低损耗和增大了传输距离的混合等离激元波导结构被提出。混合等离激元波导(hybridplasmonicwaveguides,HPWs)的关键点就是在金属和高折射率介质间引入了低折射率间隙，使得波导结构能够在介质波导的低损耗和表面等离激元波导的模式约束能力之间获得较好的折中。正是基于这个原因，各种基于HPWs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。JianshengLiu等人设计了一种基于HPWs的纳米结构光栅(XiaoJ,LiuJ,ZhengZ,etal.Designandanalysisofananostructuregratingbasedonahybridplasmonicslotwaveguide[J].JournalofOptics,2011,13(10):105001.)，它可以用作TM模式的宽带滤波器。DaoxinDai等人也利用HPWs设计了一种结构简单、性能优良的超宽带宽带TM通偏振器(GuanX,XuP,ShiY,etal.Ultra-compactBroadbandTM-passPolarizerUsingaSiliconHybridPlasmonicWaveguideGrating[C]//AsiaCommunicationsandPhotonicsConference.2013.)。值得注意的是，当频率处于通带位置时光栅结构的透射谱的总是存在明显的震荡，这对一些灵敏度不高的探测器来说是不适宜的。所以研究如何在减少透射谱振荡和提高透过率的同时保持滤波的良好特性是非常有意义的。
技术实现思路
本专利技术一种的目的是针对现有技术的缺陷，提供结构简单，能实现在中心波长1550nm附近宽波段的TM模式的滤波作用，且能根据需要对低频通带、高频通带及禁带的透射谱进行调节优化的混合等离激元波导布拉格光栅。为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术特征:一种混合等离激元波导布拉格光栅，所述的混合等离激元波导布拉格光栅包括金属Ag层、高折射率材料Si层以及Ag层和Si层中间填充的低折射率层。进一步的，低折射率层包括两端的导纳匹配区和中间的布拉格结构区。进一步的，布拉格结构区由两种低折射率材料交替排列呈周期性结构，所述导纳匹配区采用一种低折射率材料。进一步的，布拉格结构区一个周期中两种材料的占空比为0.5:0.5。进一步的，两种低折射率材料的长度根据布拉格反射条件在入射波长1550nm下求出。进一步的，导纳匹配区的长度不同于布拉格结构区的长度。进一步的，导纳匹配区和布拉格结构区的低折射率材料为TiO2和SiO2。进一步的，混合等离激元波导布拉格光栅能够实现在禁带1550nm的宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射。混合等离激元波导布拉格光栅，在两端的匹配区低折射材料为同一种材料，内部的布拉格结构区两种低折射率材料是周期性交替排列，其周期长度Λ是根据布拉格反射条件qλ/2＝nneff,1dB+nneff,2(Λ-dB)，在入射波长λ＝1550nm求出。其中，q是布拉格反射的级数，通常取1。两种低折射率材料在波导中的有效折射率分别为nneff,1和nneff,2，且一个周期中两种材料的占空比为0.5:0.5。混合等离激元波导布拉格光栅其透射谱在禁带的两层会出现明显的震荡(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不再出现震荡，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)nMdM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。这里我们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。本专利技术的有益效果是：本专利技术所提供的HPWBG可以实现在禁带1550nm附近宽波段范围内TM模式的截至和TE模式的透射，且可以实现低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。附图说明图1是实施例的HPWBG的结构示意图。图2是实施例入射光从空气中垂直入射HPWBG的透射谱，(a)-(c)分别为dM等于160nm、80nm和210nm时TE和TM模式的透射谱。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术做详细说明，本实施例在以本专利技术技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。如图1所示为HPWBG的结构示意图。金属Ag条和高折射率材料Si之间交替排列低折射率材料SiO2和TiO2。混合等离激元波导布拉格光栅，在两端的匹配区低折射材料为同一种材料，内部的布拉格结构区两种低折射率材料是周期性交替排列，其周期长度Λ是根据布拉格反射条件qλ/2＝nneff,1dB+nneff,2(Λ-dB)，在入射波长λ＝1550nm求出。其中，q是布拉格反射的级数，通常取1。两种低折射率材料在波导中的有效折射率分别为nneff,1和nneff,2，且一个周期中两种材料的占空比为0.5:0.5。混合等离激元波导布拉格光栅其透射谱在禁带的两层会出现明显的震荡(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不再出现震荡，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)nMdM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。这里我们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。在本实施例中设置各参数如下：hSi＝230nm，hl＝50nm，w本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述的混合等离激元波导布拉格光栅包括金属Ag层、高折射率材料Si层以及Ag层和Si层中间填充的低折射率层。

【技术特征摘要】
1.一种混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述的混合等离激元波导布拉格光栅包括金属Ag层、高折射率材料Si层以及Ag层和Si层中间填充的低折射率层。2.根据权利要求1所述的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述低折射率层包括两端的导纳匹配区和中间的布拉格结构区。3.根据权利要求2所述的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述布拉格结构区由两种低折射率材料交替排列呈周期性结构，所述导纳匹配区采用一种低折射率材料。4.根据权利要求3所述的混合等离激元波导布拉格光栅，其特征在于：所述布拉格结构区一个周期中两种材料的占空比为0.5:0...

【专利技术属性】
技术研发人员：许吉，陈奕霖，陆昕怡，高旭，张雨，王云帆，陆云清，
申请(专利权)人：南京邮电大学，南京邮电大学南通研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32