能量吸收器的制作方法

本发明涉及集成光学技术领域，特别涉及一种能量吸收器。

背景技术：

传统的能量吸收器，多采用谐振腔方案来实现消除反射和透射，但是采用，要求谐振腔必须工作在临界耦合的条件下，对腔的结构参数要求很高，谐振腔的吸收谱是洛伦兹线型，谱宽相对较低，谐振腔的共振中心波长对温度很敏感，当工作一段时间后，腔内储存的能量会导致温度升高，从而带来不稳定性，谐振腔腔内建立起稳定的振荡需要时间，所以不利于超快脉冲相关的应用，特别地，在集成光路中，能量通常是特定偏振的模式，对于同一个谐振腔结构，其共振峰通常不同，很难实现对两个偏振的同时吸收。

技术实现要素：

鉴于现有方案存在的问题，为了克服上述现有技术方案的不足，本发明提出了一种能量吸收器，可以在集成光学芯片中用于消除杂散光和强光给信息处理过程带来的噪声等。

根据本发明的一个方面，提供了一种能量吸收器，包括：介质光学波导，用于传输光子；以及金属包覆层，包括金属吸收结构，在所述金属吸收结构中，金属层完全包覆所述介质光学波导。

在本发明的一些实施例中，所述金属包覆层还包括金属绝热结构，所述金属绝热结构绝热地包覆所述介质光学波导，在所述光子传输的方向上，所述金属绝热结构设置在所述金属吸收结构之前。

在本发明的一些实施例中，所述金属绝热结构包括至少一连续性曲面结构，所述连续性曲面结构的连续性曲面沿所述光子传输的方向逐渐靠近所述介质光学波导直至所述连续性曲面与所述介质光学波导相切。

在本发明的一些实施例中，所述连续性曲面为圆弧面、抛物面或者双曲面。

在本发明的一些实施例中，所述连续性曲面结构为两个，所述两个连续性曲面结构分别位于所述介质光学波导的两侧。

在本发明的一些实施例中，所述两个连续性曲面结构相对于光学波导对称设置，所述连续性曲面结构的连续性曲面为圆弧面。

在本发明的一些实施例中，连续性曲面曲率半径越大，所述光子的反射率越低。

在本发明的一些实施例中，所述金属吸收结构的长度越长，所述吸收效率越高。

在本发明的一些实施例中，所述金属吸收结构的长度大于传播长度l，其中传播长度l为光子在金属与介质交界面的表面等离激元模式的强度衰减为初始值的1/e时传播的距离。

在本发明的一些实施例中，所述金属绝热结构与所述金属吸收结构邻接设置，且两者一体形成。

在本发明的一些实施例中，所述介质光学波导为硅基波导。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

采用金属吸收结构，能量吸收过程不存在共振条件，对于待吸收光子的波长、偏振等没有要求，工作带宽可以很宽；

采用金属绝热结构，反射率可降至0.1％以下，所以对前置光路几乎没有影响；

本发明中的能量吸收器结构设计简单，金属绝热结构，与谐振腔型结构相比，允许比较大的加工误差，对加工工艺的要求不高。

附图说明

图1为本发明一实施例中的能量吸收器结构示意图；

图2为光学模式与表面等离激元模式的有效折射率曲线图；

图3为表面等离激元模式的传播长度与入射波长的关系曲线图；

图4为本发明一实验例中金属绝热结构的傅里叶变换谱图及能量吸收器的反射率与金属圆弧面曲率半径的关系图；

图5为本发明一实验例中金属吸收结构的傅里叶变换谱图；

图6为本发明一实验例中能量吸收器反射率、透射率与入射光波长的关系图。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本说明书中，下述用于描述本发明原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不悖离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同附图标记用于相似功能和操作。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明一实施例提供一种能量吸收器，包括：介质光学波导，用于传输光子；以及金属包覆层，包括金属吸收结构，在所述金属吸收结构中，金属层完全包覆所述介质光学波导。

对于一根介质光学波导，光子在其中以光学模式的形式传播；当介质波导的周围被金属包覆时，光子将以表面等离激元模式的形式传输,本发明实施例利用表面等离激元对电磁场的吸收损耗，把光子能量吸收并以热能的形式耗散掉，完全地消除透射。图1为本发明一实施例中的能量吸收器结构示意图，本发明实施例中的介质光学波导以硅基波导为例，如图1所示，介质光学波导1设置在硅基衬底2上，光子沿图1中的z方向沿着介质光学波导1传播，金属包覆层3包括金属吸收层31，金属吸收层31设置在硅基衬底2上，完全包覆介质光学波导1，本实施例中介质光学波导1的截面为矩形，截面尺寸为300nm×400nm，包覆介质光学波导1的金属吸收层31的截面亦为矩形。

由于光学模式的能量主要局域在波导内部，而表面等离激元模式的能量主要局域在介质与金属的交界面，所以，光学模式与表面等离激元模式的有效折射率差别很大。图2为光学模式与表面等离激元模式的有效折射率曲线图，本实施例中以硅基波导(截面尺寸为300nm×400nm)为例，任一光场可以分解为沿水平方向振动的h-mode的光子和沿竖直方向振动的v-mode的光子，分别求出h-mode的光子和v-mode的光子的光学模式(即图2中的optical_h和optical_v)和表面等离激元模式(即图2中的spp_h和spp_v)的有效折射率进行对比，如图2所示，对于波长为1400nm-1700nm的光子来说，v-mode的光子的光学模式的折射率比表面等离激元模式大，h-mode的光子的光学模式的折射率与表面等离激元模式的折射率之间的差距更大。该有效折射率之差，意味着当光学模式与表面等离激元模式直接耦合时阻抗不匹配，会有很大的反射。

为了降低阻抗不匹配导致的反射，需要将光学模式绝热地转化成表面等离激元模式。本发明的另一实施例在上一实施例的基础上增设了金属绝热结构，该金属绝热结构绝热地包覆介质光学波导。如图1所示，在所述光子传输的方向上，所述金属绝热结构32设置在所述金属吸收结构31之前，两者邻接设置。本实施例中，金属绝热结构32包括至少一个连续性曲面结构，例如为两个，连续性曲面结构的连续性曲面沿所述光子传输的方向逐渐靠近所述介质光学波导1直至连续性曲面与所述介质光学波导1相切，两个连续性曲面结构分别位于所述介质光学波导的两侧且相对于光学波导1对称设置，连续性曲面结构的连续性曲面可以为圆弧面。如此设计，可以将介质光学波导中的光学模式绝热地转化成表面等离激元模式，降低阻抗不匹配导致的反射。本实施例中，金属绝热结构和金属吸收结构可以一体形成。

在上述实施例中利用绝热变化的金属结构，将介质波导中的光学模式绝热地转化成介质-金属混合波导中的表面等离激元模式，在提高吸收效率的同时，将反射场对原光路的影响基本消除。

在其他实施例中，金属绝热结构还可以采用其他的连续性曲面结构，只要能够实现将介质光学波导中的介质模式绝热地转化成表面等离激元模式即可，例如可以采用连续性曲面为抛物面或者双曲面等的连续性曲面结构，使得金属绝热结构靠近介质波导的速率足够缓慢。

在上述实施例中，在前面的金属绝热结构32的作用下，介质光学波导1中的光学模式完全被转化成表面等离激元模式，避免了光子的反射，转化成表面等离激元模式的光子被紧邻的金属吸收结构31吸收，避免光子的透射。此时，表面等离激元模式的光子的强度以指数的形式沿着传播方向衰减，定义表面等离激元模式的光子的能量衰减至初始条件的1/e时所传播的距离为l，称之为传播长度，传播长度与入射波长相关，图3为表面等离激元模式的传播长度与入射波长的关系曲线图，如图3所示，无论对于spp_h模式还是spp_v模式，在波长为1400nm至1700nm的范围内，波长越长，表面等离激元模式的传播长度l越大。为了提高吸收效率，金属吸收结构的长度要大于传播长度l，并且金属吸收结构越长，吸收效果越好。

实验例1

应用上述方案设计了一个能量吸收器，令金属吸收结构31的长度为l＝20μm，金属材料采用的是金(au)，金属吸收结构的矩形截面尺寸为1.5μm×0.8μm。

介质光学波导中的任意传播场可以看作所有本征模式的线性叠加，其形式上类似于傅里叶级数，其中每一个本征模在总电场中所占的比重记作c(ni)，称为权重因子，ni为该本征模的有效折射率。将波导中心轴上的总电场e(z)进行傅里叶变换，便可得到每一个本征模的权重因子，其中ni前面的符号代表了能量的传播方向。

图4为本发明一实验例中金属绝热结构的傅里叶变换谱图及能量吸收器的反射率与金属圆弧面曲率半径的关系图，图4中(a)示出了金属绝热结构(参照图1所示，沿z轴方向，0≤z≤l)的典型的傅里叶变换谱，正、负半轴的峰分别代表正向、反向传播的光学模式的权重因子，可以得到反射率的表达式为r＝|c(-ni)/c(+ni)|²其中ni表示有效折射率，并给出了曲率半径分别为0、10μm、20μm的不同情形。图4中(b)示出了反射率关于圆弧曲率半径的关系，cx(neff)＝cx(ni)，对h-mode，圆弧曲率半径越大，反射率越小。对v-mode，当圆弧曲率半径较小时，反射率随半径的增大而减小；当半径较大时，反射率不再随半径的增大而单调递减，减小趋势趋于饱和，整体上看，反射率与金属圆弧面的曲率半径相关，半径越大，说明金属在靠近介质波导的过程中越绝热，因此反射率越低。

同理，可以对金属吸收结构的电场e(z)(参照图1所示，沿z轴方向，l≤z≤2l)进行离散傅里叶变换。图5为金属吸收结构的傅里叶变换谱图，h-mode的电场，其偏振方向沿图1中坐标轴x方向；v-mode的电场，其偏振沿坐标轴y方向，图5的(a)、(b)中的cx、cy分别代表了以h-mode、v-mode光子入射时，波导中各个模式的权重因子。如图5所示，在傅里叶变换谱中，ni>0的区间内出现了不同的峰，分别代表不同的表面等离激元本征模式，而ni<0的区间内没有峰，说明金属吸收结构的波导中只有正向传播的表面等离激元模式。对于金属吸收结构长度的选择，越长越好，

本实验例1中的能量吸收器可以在通讯波段进行有效工作。图6中(a)、(b)分别为本发明实验例1中能量吸收器反射率、透射率与入射光波长的关系图，如图6所示，采用实验例1中能量吸收器，在1400nm～1700nm的范围内，无论是h-mode还是v-mode的光子，能量吸收器的反射率均小于10^-3，能量吸收器的透射率均小于5*10^-3。能量吸收器的吸收效率可以保持在99.5％以上。

本发明实施例可以用于集成光学芯片上无用的杂散光或强泵浦光的消除，根据选取的金属绝热结构的圆弧面的曲率半径，反射率可以降低至0.1％以下；根据选取的金属吸收结构的长度，透过率也可以降至0.1％以下。本发明实施例中的能量吸收器，对加工精度的要求更低，工作带宽更宽，能够消除集成光学芯片上信息处理过程中由杂散光带来的噪声。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。