CN108663749A - 一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法 - Google Patents

一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,该方法包括以下步骤:S1:构建混合等离激元波导结构;选择两种低折射率材料,通过调整混合等离激元波导的结构参数使混合等离激元模式被激发并局限在低折射率层内;S2:计算有效折射率;以入射光垂直入射进布拉格光栅为入射方向条件,根据确定的光波频带和结构参数获得波导的有效折射率;S3:构建布拉格光栅结构;S4:布拉格光栅串联;将两组不同周期结构的混合等离激元波导布拉格光栅串联相接;S5:导纳匹配。本发明采用了可调节双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,特别适用于实现对指定波长激光的精准选择以及实现动态宽波段的模式选频。

Description

一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法
技术领域
本发明涉及一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,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
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题,提出一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现:一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,包括以下步骤:
S1:构建混合等离激元波导结构;
选择两种低折射率材料A和B,通过调整混合等离激元波导的结构参数使混合等离激元模式被激发并局限在低折射率层内;
S2:计算有效折射率;
以入射光垂直入射进布拉格光栅为入射方向条件,根据确定的光波频带和结构参数获得一维混合等离激元波导的有效折射率;
S3:构建布拉格光栅结构;
根据S2步骤确定的波导结构参数和有效折射率构建布拉格光栅,确定两组不同周期结构的布拉格光栅的结构参数;
S4:布拉格光栅串联;
将两组不同周期结构的混合等离激元波导布拉格光栅串联相接;
S5:导纳匹配;
调节入射端与出射端匹配区的波导长度,改善通带性能。
优选地,所述S1步骤中,所述混合等离激元波导由金属Ag条和高折射率材料Si中间交替填充低折射率材料A和B构成,所述低折射率材料A为SiO2,所述低折射率材料B为TiO2
优选地,所述S2步骤中,填充低折射率材料A时波导的模式有效折射率为neff,1,填充低折射率材料B时波导的模式有效折射率为neff,2
优选地,所述布拉格光栅的入射端为SiO2,出射端为TiO2
优选地,所述入射端和出射端的波导均为导纳匹配波导,所述入射端波导SiO2的长度为260nm,出射端波导TiO2的长度为370nm。
优选地,所述布拉格光栅的周期为Λ=d1+d2,根据所需禁带要求,布拉格光栅的参数由下式确定:
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A材料和B材料在一个周期内的长度。
优选地,所述混合等离激元波导布拉格光栅的导纳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,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。
优选地,所述S5步骤中,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和第二组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N为16,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。
本发明技术方案的优点主要体现在:本发明采用了可调节双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,实现了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;并且设计方法简单、设计流程简便,结构集成度高且容易制备,能够根据需求灵活设计实现指定宽波段的模式选频,特别适用于实现对指定波长激光的精准选择以及实现动态宽波段的模式选频,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是本发明混合等离激元波导的结构设计示意图。
图2是以SiO2和TiO2为交替填充的低折射率层的布拉格光栅的结构示意图。
图3是本发明混合等离激元波导的TM模式的有效折射率实部与波长的关系图。
图4是本发明混合等离激元波导的TM模式的有效折射率虚部与波长的关系图。
图5是本发明单一禁带的布拉格光栅计算得到的透射谱示意图。
图6是本发明单一禁带的布拉格光栅计算得到的透射谱示意图。
图7是双禁带结构的混合等离激元波导布拉格光栅,其周期数N为16时的计算得到的透射谱示意图。
图8是改变结构参数的波导长度、匹配区长度以及周期数N时,布拉格光栅透射谱的示意图
图9是改变结构参数的波导长度、匹配区长度以及周期数N时,布拉格光栅透射谱的示意图。
具体实施方式
本发明的目的、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发明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,均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,如图1和图2所示,所述混合等离激元波导布拉格光栅是由串联的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出射端的导纳匹配波导构成。
图1是混合等离激元波导的结构设计示意图,其中w1=100nm为金属Ag条的宽度,h1=100nm为Ag的厚度,h2=230nm为高折射率材料Si的宽度,w2=400nm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=50nm为低折射率材料的厚度,d3=1400nm为包层PMMA的宽度,h4=1000nm为包层PMMA的厚度,h5=500nm为衬底SiO2的厚度。
图2是实施例中所选择的以SiO2和TiO2为交替填充的低折射率层的布拉格光栅的结构设计示意图,其中d1=260nm为入射匹配区SiO2的长度,d2=142nm为第一段光栅中TiO2的长度,d3=142nm为第一段光栅中SiO2的长度,d4=142nm为第二段光栅中SiO2的长度,d5=102nm为第二段光栅中TiO2的长度,d6=370nm为出射匹配区TiO2的长度。两段混合等离激元波导布拉格光栅均由SiO2与TiO2交替填充在金属Ag和高折射率材料Si中构成,且周期数为16。
具体地,该方法包括以下步骤:
S1:构建混合等离激元波导结构;
选择两种低折射率材料A和B,通过调整混合等离激元波导的结构参数使混合等离激元模式被激发并局限在低折射率层内;通过模式分析计算得到混合等离激元模式下两种波导的色散关系图,如图3和图4所述,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。
S2:计算有效折射率;
以入射光垂直入射进布拉格光栅为入射方向条件,根据确定的光波频带和结构参数获得一维混合等离激元波导的有效折射率;
S3:构建布拉格光栅结构;
根据S2步骤确定的波导结构参数和有效折射率构建布拉格光栅,确定两组不同周期结构的布拉格光栅的结构参数;
S4:布拉格光栅串联;
将两组不同周期结构的混合等离激元波导布拉格光栅串联相接;
S5:导纳匹配;
调节入射端与出射端匹配区的波导长度,改善通带性能。
所述S1步骤中,所述混合等离激元波导由金属Ag条和高折射率材料Si中间交替填充低折射率材料A和B构成,所述低折射率材料A为SiO2,所述低折射率材料B为TiO2
所述S2步骤中,填充低折射率材料A时波导的模式有效折射率为neff,1,填充低折射率材料B时波导的模式有效折射率为neff,2
所述布拉格光栅的入射端为SiO2,出射端为TiO2。所述入射端和出射端的波导均为导纳匹配波导,所述入射端波导SiO2的长度为260nm,出射端波导TiO2的长度为370nm。
所述布拉格光栅的周期为Λ=d1+d2,根据所需禁带要求,布拉格光栅的参数由下式确定:
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A材料和B材料在一个周期内的长度。
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
所述混合等离激元波导布拉格光栅的导纳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,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。
所述S5步骤中,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和第二组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N为16,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。
将两种混合等离激元波导交替排列构成布拉格光栅,根据如下公式:
给定λb=1260nm可以确定两种波导的长度,使用传输矩阵法计算得到单一矩阵的透射谱图像,见图5,图5中横坐标表示波长,纵坐标表示传输效率;再由给定的λb=1400nm可以计算得到第二个透射谱图像,见图6,图6中横坐标表示波长,纵坐标表示传输效率。这里的计算考虑到两光栅的耦合性,故令d3与d4相等,将两光栅串接,根据导纳匹配的原理细调匹配区波导的厚度,可以计算得到所求的能够对1310nm光波进行特定选择的双禁带透射谱,见图7,图7中横坐标表示波长,纵坐标表示传输效率。
通过改变布拉格光栅的结构参数d2、d3、d4、d5,导纳匹配区波导宽度d1、d6以及周期数N可以改变所需的禁带位置,如图8,图8中横坐标表示波长,纵坐标表示传输效率。
图7~图9对所设计的双禁带混合等离激元波导布拉格光栅的精确性进行了验证,图9中横坐标表示波长,纵坐标表示传输效率,该验证说明了本设计方法中的双禁带在周期长度和周期数的作用下具有禁带中心波长可控的性质,通过设计两个禁带的位置,进而能够应用于设计实现对指定波长激光的精准选择以及实现动态宽波段的模式选频作用。
该混合等离激元波导布拉格光栅具有两个禁带的特点,为设计新型的多通带滤波器、偏振器等光子器件奠定了良好的基础。
本发明采用了可调节双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,可以实现两个指定宽波段处TM模式的截止,通过改变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,并且可以实现对高频禁带及低频禁带的位置和透射谱的调节优化,进而能够实现对指定波长激光的精准选择,以及实现动态宽波段的模式选频作用;并且设计方法简单、设计流程简便,结构集成度高且容易制备,在光通信、集成光学领域具有一定的应用价值。
本发明尚有多种实施方式,凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案,均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:构建混合等离激元波导结构;
选择两种低折射率材料A和B,通过调整混合等离激元波导的结构参数使混合等离激元模式被激发并局限在低折射率层内;
S2:计算有效折射率;
以入射光垂直入射进布拉格光栅为入射方向条件,根据确定的光波频带和结构参数获得一维混合等离激元波导的有效折射率;
S3:构建布拉格光栅结构;
根据S2步骤确定的波导结构参数和有效折射率构建布拉格光栅,确定两组不同周期结构的布拉格光栅的结构参数;
S4:布拉格光栅串联;
将两组不同周期结构的混合等离激元波导布拉格光栅串联相接;
S5:导纳匹配;
调节入射端与出射端匹配区的波导长度,改善通带性能。
2.根据权利要求1所述的一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,其特征在于:所述S1步骤中,所述混合等离激元波导由金属Ag条和高折射率材料Si中间交替填充低折射率材料A和B构成,所述低折射率材料A为SiO2,所述低折射率材料B为TiO2
3.根据权利要求1所述的一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,其特征在于:所述S2步骤中,填充低折射率材料A时波导的模式有效折射率为neff,1,填充低折射率材料B时波导的模式有效折射率为neff,2
4.根据权利要求4所述的一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,其特征在于:所述布拉格光栅的入射端为SiO2,出射端为TiO2
5.根据权利要求1所述的一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,其特征在于:所述入射端和出射端的波导均为导纳匹配波导,所述入射端波导SiO2的长度为260nm,出射端波导TiO2的长度为370nm。
6.根据权利要求1所述的一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,其特征在于:所述布拉格光栅的周期为Λ=d1+d2,根据所需禁带要求,布拉格光栅的参数由下式确定:
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A材料和B材料在一个周期内的长度。
7.根据权利要求1所述的一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,其特征在于:所述混合等离激元波导布拉格光栅的导纳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,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。
8.根据权利要求1所述的一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,其特征在于:所述S5步骤中,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。
9.根据权利要求8所述的一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅的设计方法,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16,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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