一种基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器，包括波导基体，在波导基体上沿着与中心轴平行的方向上设置有光波入射通道，在光波入射通道的一侧或两侧加工有n个可与入射光波发生耦合作用的共振腔，n≥1，在波导基体的外壁上设置有与共振腔相应的光波出射通道，本发明利用光波与金属Ag表面自由电子的相互作用，光与Ag介质表面发生耦合作用，光耦合进入共振腔，进而从光波出射通道输出，使光的利用更高，有80％多的光可以通过耦合作用输出，同时通过不同的光波出射通道输出实现固定波长的脉冲光从指定的通道输出，也可以在一个共振腔输出多个方向不同的光，大大加强了结构的实用性，可以改变光波输出方向并且实现多通道输出。
【专利说明】
一种基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器
技术领域
[0001 ]本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器。
【背景技术】
[0002]波分复用器是光通信领域与光传感探测领域的重要器件之一，在光通信领域，波分复用器在无需增加敷设光线网络的情况下实现几十倍、几百倍的信道扩容，在光传感探测领域以波分复用器为核心的微小型光谱分析仪可应用于食品安全检测、矿井安全检测、大气水质污染监测、医学检测等。
[0003]目前常用的光波分复用器有介质膜型和光栅型，其中介质膜型普遍采用的解决方案是薄膜滤波(TFF)技术，其光束在传输过程中的反射次数均不相同，各个波长光束的光学路径不同，而受激光器芯片、准直透镜以及膜片的位置角度影响(如因热膨胀而发生偏移)，光束反射次数过多会造成光束偏移量过大，造成光束不稳定，导致波分复用器的可靠性较低。
[0004]光栅型波分复用器性能稳定、易于批量生产、成本低、适合做密集型波分复用而得到广泛研究与应用，如阵列波导光栅其是将一个M通道模式复用器件与M个波分复用器件相结合，从而总通道数得以倍增。但是这种方式的不足是所需波分复用器件数量大，导致整体器件尺寸较大，且在实际制作过程中难以保证数量众多的AWG完全一致。
[0005]上述的介质膜型和光栅型的波分复用器均存在尺寸较大、成分较高而且结构复杂、稳定性能差等问题。因此，在现有的通信集成领域对波分复用器的微型化、可集成化与性能稳定之间的协调就成为技术发展的瓶颈。
[0006]中国专利CN105388562A公开了一种高效光子晶体1.31/1.55μπι波分复用器，整个结构的介质柱以三角晶格结构排列，晶格常数a = 0.6ym，介质柱半径r = 0.12ym，材料折射率为2.95，其长度方向含29或30个介质柱，宽度方向含14个介质柱，其中:去掉倒数第6排介质柱引入一条波导，为波导I;去掉正数第6排中间部分介质柱，两边至少各保留4个，形成一条与波导I平行的波导，在右端引出，为波导II;波导I与波导II之间间隔两排介质柱形成相互作用区，两波导构成方向耦合波导结构。但是该种结构仅能保持在微米量级，对于纳米级的应用环境，其仍然不能满足，而且其光的透过率不高，影响光的传输效率。
【发明内容】
[0007]为了解决现有波分复用器的尺寸大、集成困难、稳定性差的问题，本发明提供了一种构型小、集成性能好、光利用率高并且可同时处理单个或多个光信号的波长的基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器。
[0008]本发明实现上述目的所采用的技术方案是该基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器包括波导基体，在波导基体上沿着与中心轴平行的方向上设置有光波入射通道，在光波入射通道的一侧或者两侧加工有η个可与入射光波发生耦合作用的共振腔，η多I，在波导基体的外壁上设置有与共振腔相应的光波出射通道。
[0009]上述共振腔可以是四边形，也可以是圆形或者圆环结构。
[0010]当共振腔是并列设置的圆形共振腔时，共振腔的直径随着光波入射光程的延长渐增，共振腔的半径R与共振腔的个数i之间满足:Ri = 180+10 X (1-1)。
[0011 ] 进一步，共振腔的半径R与入射波长λ之间满足:Ai = 0.99Ri+20( 1-1 )+572，入射波长为 700 ?1300nm。
[0012]上述光波出射通道的输出方向与光波入射通道的光入射方向形成60?120°的夹角。
[0013]上述共振腔与光波入射通道之间的间距G为5?20nm。
[0014]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0015](I)本发明的波分复用器是基于Ag/空气介质，其结构小，可实现纳米级量级，并且构型简单，集成性更高，在通信集成光路方面有较好的应用前景。
[0016](2)本发明是光在波导中传播时，利用光波与金属Ag表面自由电子的相互作用，光与Ag介质表面发生耦合作用，光耦合进入共振腔，进而从光波出射通道输出，使光的利用更高，有80%多的光可以通过耦合作用输出。
[0017](3)本发明可以同时处理单个或多个波长的光信号，从光波入射通道打入一束固定波长的光时，只要达到共振腔的共振波长，光就可以在达到共振波长的那个共振腔处发生耦合作用，进入对应的共振腔，从而将一束光分开，通过不同的光波出射通道输出，进而实现固定波长的脉冲光从指定的通道输出，也可以在一个共振腔上输出多个方向不同的光，实现多通道输出，并且可以通过调整光波输出通道的角度改变光波的输出方向，大大加强了结构的实用性。
【附图说明】
[0018]图1为实施例1的波分复用器的结构示意图。
[0019]图2为波长为750nm时光波的输出示意图。
[0020]图3为波长为810nm时光波的输出示意图。
[0021 ]图4为波长为880nm时光波的输出示意图。
[0022]图5为波长为500nm时光波的输出示意图。
[0023]图6为实施例2的波分复用器的结构示意图。
[0024]图7为实施例3的波分复用器的结构示意图。
[0025]图8为实施例4的波分复用器的结构示意图。
[0026]图9为图8的光波的输出示意图。
[0027]图10为实施例5的波分复用器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]现结合附图和实施例对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明不仅限于下述的实施情形。
[0029]实施例1
[0030]由图1可知，本实施例的基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器，包括水平放置的波导基体1，本实施例的波导基体1是采用Ag基质，在波导基体1上沿着与中心轴平行的方向上加工有直径为50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的一侧并列加工有3个圆形共振腔2,共振腔2是充满空气介质空腔，其直径随着光波入射光程的延长渐增，共振腔2的半径R与共振腔2的个数i之间满足:Ri = 180+10 X (1-1)，共振腔2的半径R与入射波长A之间满足:Ai = 0.99Ri+20(1-l)+572,即本实施例第一个共振腔2的半径hilSOnm，第二个共振腔2 的半径R2 = 200nm，第三个共振腔2的半径R3 = 220nm，3个共振腔2与光波入射通道3之间的间距相等，均为G=10nm，在波导基体1的外壁上设置有与共振腔2—一对应的光波出射通道， 即3个共振腔2分别对应3个光波输出通道4,3个光波输出通道4的输出方向与光波入射通道 3的光入射方向垂直，3个共振腔2与光波出射通道之间的间距d等于与光波入射通道3之间的间距G，d=G。[〇〇31] 参见图2，当从光波入射通道3打入一束脉冲宽带光时，A = 750nm，光从第一个共振腔2里面出去，而没有进入后面的共振腔2,即光束刚好达到第一个共振腔2的共振波长，与第一个共振腔2发生耦合作用，进入到第一个共振腔2中，进而从第一个光波输出通道4输出。[〇〇32] 参见图3,当从光波入射通道3打入一束脉冲宽带光时，A = 810nm，光从第二个共振腔2里面出去，即光束刚好达到第二个共振腔2的共振波长，与第二个共振腔2发生耦合作用，进入到第二个共振腔2中，进而从第二个光波输出通道4输出。[〇〇33] 参见图4,当从光波入射通道3打入一束脉冲宽带光时，A = 880nm，光从第三个共振腔2里面出去，即光束刚好达到第三个共振腔2的共振波长，与第三个共振腔2发生耦合作用，进入到第三个共振腔2中，进而从第三个光波输出通道4输出。[〇〇34] 参见图5，当从光波入射通道3打入一束脉冲宽带光时，A = 500nm，脉冲宽带光通过直波导时，与共振腔2没有发生耦合作用，即光没有进入共振腔2中，而是直接通过波导，被边界所吸收。
[0035]由此说明，本实施例的波分复用器可以实现定向输出并且可以同时处理多个波长的光信号。
[0036]实施例2[〇〇37]参见图6,本实施例的波导基体1是一个厚度为50nm的长方形薄片，采用Ag基质，在波导基体1上沿着与中心轴平行的方向上加工有宽度为50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的一侧并列加工有3个圆环形共振腔2,共振腔2是充满空气介质空腔，其直径随着光波入射光程的延长渐增，即本实施例第一个共振腔2的外径R^=180nm，内径R_=150nm，第二个共振腔2的外径R2外=200nm，内径R2内=170nm，第三个共振腔2的外径R3外=220nm，内径 R3内=180nm，3个共振腔2与光波入射通道3之间的间距相等，均为G = 20nm，在波导基体1的外壁上设置有与共振腔2—一对应的光波出射通道，即3个共振腔2分别对应3个光波输出通道4,3个光波输出通道4的输出方向与光波入射通道3的光入射方向垂直，3个共振腔2与光波出射通道之间的间距d等于与光波入射通道3之间的间距G，d=G。[〇〇38] 工作原理与实施例1相同。[〇〇39] 实施例3[〇〇4〇]参见图7,本实施例的波导基体1是一个厚度为50nm的正方形薄片，采用Ag基质，在波导基体1上沿着与中心轴平行的方向上加工有宽度为50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的上下两侧分别加工有圆形共振腔2,共振腔2内充满空气介质空腔，按照其分布位置分布上共振腔组2-1和下共振腔组2-2,上共振腔组2-1包括有3个等间距分布的圆形共振腔 2,3个上共振腔2的直径随着光波入射光程的延长渐增，共振腔2的半径R与共振腔2的个数i 之间满足:Ri= 180+10 X (1-1)，共振腔2的半径R与入射波长A之间满足:M = 〇.99Ri+20( 1-1) +572，即本实施例第一个共振腔2的半径h = 180nm，第二个共振腔2的半径R2 = 200nm，第三个共振腔2的半径R3 = 220nm，3个共振腔2与光波入射通道3之间的间距相等，均为G = 10nm。在光波入射通道3的下侧也加工有由3个与上共振腔2——对应的下共振腔组2_2成的下共振腔组2-2，下共振腔2与上共振腔2的直径一致，均满足Ri = 180+10 X (1-1 )，共振腔2 的半径R与入射波长入之间满足Ai = 0.99Ri+20 (1-1 )+572。在每个上共振腔2和下共振腔2的外侧均加工有与共振腔2—一对应的光波出射通道，即在在波导基体1的上下侧外壁上设置有与上共振腔2和下共振腔2—一对应的光波出射通道，使得当进入光波入射通道3达到共振波长时，与上、下共振腔2发生耦合，进入相应共振腔2内，可以从上下两侧对应的光波输出通道4输出。[0041 ] 实施例4[〇〇42]参见图8和9,本实施例波导基体1波导基体1是采用Ag基质，是一个长为2wii，宽为 200nm，厚度为50nm的薄片，在波导基体1上沿着与中心轴平行的方向上加工有宽度为50nm 的光波入射通道3,在光波入射通道3的上侧加工有1个充满空气介质的圆形共振腔2,共振腔2共振腔2共振腔2与光波入射通道3之间的间距是20nm，共振腔2光波入射通道3在波导基体1的上侧外壁上加工有3个与共振腔2对应的光波出射通道，3个光波出射通道与光波入射通道3之间的夹角分别为60°、90°和120°，当波导基体1共振腔2共振腔2光波入射通道3共振腔2光波入射通道3共振波通过耦合作用进入共振腔2之后可以从3个不同的方向经不同的光波出射通道输出，达到改变光波输出方向的目的，并且实现多方向输出。[〇〇43]其他的设计及其工作原理与实施例1相同。
[0044] 实施例5[〇〇45]本实施例波导基体1是采用Ag基质，是一个长为2_，宽为200nm，厚度为50nm的薄片，参见图10,在波导基体1上沿着与中心轴平行的方向上加工有直径为50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的上侧和下侧分别加工有充满空气介质的方形共振腔2组，即分别为上共振腔组2-1和下共振腔组2-2，上共振腔组2-1与光波入射通道3之间的间距是5nm，下共振腔组2-2与光波入射通道3之间的间距是10nm，上共振腔组2-1是由3个边长不等的正方形上共振腔组2-1成，下共振腔组2-2是由3个边长不等的正方形下共振腔组2-2成，在波导基体1的上侧外壁上加工有与上共振腔2对应的上光波出射通道，每个上共振腔2对应有3个上光波出射通道，每个上共振腔2对应的3个上光波出射通道与光波入射通道3之间的夹角分别为60°、90°和120°，60°同理，在波导基体1的下侧外壁上加工有与下共振腔2对应的下光波出射通道，每个下共振腔2对应有3个下光波出射通道，每个下共振腔2对应的3个下光波出射通道与光波入射通道3之间的夹角分别为60°、90°和120°，60°即共振波通过耦合作用进入共振腔2之后可以从3个不同的方向经不同的光波出射通道输出，达到改变光波输出方向的目的，并且实现多方向输出。
[0046]其他的设计及其工作原理与实施例1相同。
[0047]上述实施例中的共振腔的个数可以根据波导基体的尺寸确定，可以是1个也可以是多个，另外，光波输出通道的个数以及输出的角度也可以根据实际应用需求进行确定，通过光波输出通道的角度和个数可以改变光波的输出方向，并且可实现多通道输出。
【主权项】
1.一种基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器，包括波导基体(I)，其特征在于:在波导基体(I)上沿着与中心轴平行的方向上设置有光波入射通道(3)，在光波入射通道(3)的一侧或两侧加工有η个可与入射光波发生耦合作用的共振腔(2)，n多I，在波导基体(I)的外壁上设置有与共振腔(2)相应的光波出射通道。2.根据权利要求1所述的基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器，其特征在于:所述共振腔(2)是圆形或四边形或圆环结构。3.根据权利要求2所述的基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器，其特征在于:所述共振腔(2)是并列设置的圆形共振腔(2)，并且共振腔(2)的直径随着光波入射光程的延长渐增，共振腔(2)的半径R与共振腔(2)的个数i之间满足:Ri = 180+10 X (1-1)。4.根据权利要求3所述的基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器，其特征在于所述共振腔(2)的半径R与入射波长λ之间满足:Ai = 0.99Ri + 20(1-l )+572，入射波长为700?1300nmo5.根据权利要求1所述的基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器，其特征在于:所述光波出射通道的输出方向与光波入射通道(3)的光入射方向形成60?120°的夹角。6.根据权利要求1所述的基于Ag/空气介质的微纳结构波分复用器，其特征在于:所述共振腔(2)与光波入射通道(3)之间的间距G为5?20nm。
【文档编号】G02B6/12GK106019473SQ201610555794
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】李晓辉, 庞星星, 邹德峰, 柴通, 高鹏飞
【申请人】陕西师范大学