专利名称：：亚波长电磁二极管的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种非线性调控耦合谐振透射器件，尤其涉及一种亚波长电磁二极管器件。
背景技术：
：电磁二极管是一种实现电磁波单向导通的器件，为构造电磁逻辑回路的基础器件之一。在通讯及全光计算等领域均具有广阔的应用前景。目前国内外相关的研究主要集中于几个方面利用在光子晶体中引入非线性，利用非线性调制的带边移动实现二极管[文献1-2，M.Scalora,J.P.Dowling,C.M.Bowden,andM.J.Bloemer,"Thephotonicbandedgeopticaldiode，"JournalofAppliedPhysics76,2023-2023(1994)；M.D.Tocci,M.J.Bloemer,M.Scalora,J.P.Dowling,andC.M.Bowden,"Thin-filmnonlinearopticaldiode，"AppliedPhysicsLetters66，2324-2324(1995)]，调控非线性光子晶体中二次谐波的发生实现二极管效应[文献3-4，K.Gallo,andG.Assanto,"All-opticaldiodebasedonsecond-harmonicgeneraioninanasymmetricwaveguide,”J.Opt.Soc.Am.B16,267-269(1999)；K.Gallo,G.Assanto,K.R.Parameswaran,andM.M.Fejer,"All-opticaldiodeinaperiodicallypoledlithiumniobatewaveguide,"AppliedPhysicsLetters79，314-314(2001)]，调控非线性光子晶体中的双稳态实现二极管效应[文献5-7，M.W.Feise,I.V.Shadrivov,andY.S.Kivshar,"Bistablediodeactioninleft-handedperiodicstructures，"PhysicalReviewE71,037602(2005)；C.Xue,H.Jiang,andH.Chen,"Highlyefficientall-opticaldiodeactionbasedonlight-tunnelingheterostructures,"Opt.Express18，7479-7487(2010)；I.V.Shadrivov,K.Y.Bliokh,Y.P.Bliokh,V.Freilikher,andY.S.Kivshar,"BistabilityofAndersonLocalizedStatesinNonlinearRandomMedia，"PhysicalReviewLetters104,123902(2010)],利用介质的非线性吸收实现二极管[文献8，R.Philip,M.Anija,C.S.Yelleswarapu,andD.V.G.L.N.Rao,"Passiveall-opticaldiodeusingasymmetricnonlinearabsorption,"AppliedPhysicsLetters91，141118-141113(2007)]，利用非线性光波导实现二极管响应[文献9-10，Z.Yu，andS.Fan，"Completeopticalisolationcreatedbyindirectinterbandphotonictransitions，"NatPhoton3，91-94(2009)；Z.Yu,andS.Fan,"Opticalisolationbasedonnonreciprocalphaseshiftinducedbyinterbandphotonictransitions，”AppliedPhysicsLetters94，171116-171113(2009)]。以上现有的设计物理上均基于布拉格散射或宏观的非线性现象，设计的结构尺寸多为数个或很多个波长，应用于集成电磁回路对电磁回路的小型化具有波长相关的基本限制
发明内容本发明解决现有二极管器件体积较大，对于集成回路的应用有限制的问题，公开一种基于耦合谐振透射实现亚波长电磁二极管的设计思路和实现手段。该亚波长电磁二极管由三个或三个以上的非对称级联的金属谐振单元及其中部分单元之间具有非线性响应的部件构成；金属谐振单元的非对称级联为本发明的关键技术特征，具体非对称的引入可以为对称级联结构中非线性引入引起的非对称，或级联结构本身的非对称。该亚波长电磁二极管器件利用亚波长谐振单元之间的耦合模式将电磁场局域于很小的间隙之中，并通过非对称结构调控间隙之中放大的局域场与置于其中的非线性响应部件的强非线性相互作用实现。这种电磁二极管设计的亚波长尺寸有益于集成光子回路的小型化；利用局域场增强的强非线性可以实现低功率工作；能实现双频工作；并能直接作为片装集成光子回路组成元件。本发明利用非对称级联的金属谐振单元之间的耦合谐振模式实现亚波长电磁二极管为了达到上诉目的，本发明采用三个或三个以上的非对称级联的亚波长金属谐振单元及其中部分单元之间具有非线性响应的部件(于微波为非线性集总元件如变容二极管，于更高频可以为各种非线性介质)构成，馈入和馈出采用合适的近场激励和近场探测方式，基于以上设计的电磁二极管能够实现亚波长尺寸，采用的平面结构使其可直接作为片装集成光子回路组成元件。本发明的具体结构实现包括三个或三个以上的非对称级联的金属谐振单元，其中部分单元之间具有非线性响应的部件，以及合适的近场馈入和馈出结构。金属谐振单元由成熟的表面印刷工艺制作而成，组成单元即金属谐振单元可以为长方形环结构、圆环等各种金属结构单元，通过附图I所示的非对称排布实现本发明要求的非对称级联结构，级联的金属谐振单元之间的耦合谐振模式很好地局域和放大相邻间隙中的电磁场，部分单元之间引入具有非线性响应的部件以实现本发明要求的非线性调控，结合非对称级联结构实现非对称非线性调控，级联的金属单元具有亚波长的尺寸，对于级联金属谐振单元链的输运特性的表征采用近场激励和近场探测。本发明公布的利用耦合谐振模式实现亚波长电磁二极管的构造原理，可以适用在微波、太赫兹、红外亦或可见光波段，对于微波波段设计非对称级联的金属谐振单元结构由成熟的印刷电路板实现，部分单元之间具有非线性响应的部件可以采用非线性集总元件如变容二极管，对于太赫兹、红外亦和可见光设计非对称级联的金属谐振单元可以利用电子束曝光等加工或者可以利用化学法生长的金属颗粒实现，部分单元之间具有非线性响应的部件可以为各种非线性介质。本发明具有如下的效果和优点I.与传统的光学隔离利用法拉第旋光介质辅以差45°偏振片实现不同，该发明对于传输的电磁波没有极化方面的要求。2.与基于光子晶体和和宏观非线性现象的结构向比较，本发明能实现亚波长器件对于集成光子回路的小型化大有作用。3.本发明亚波长电磁二极管可以能实现双频工作，见图4。4.本发明采用平面结构设计，可以直接集成于片装集成光子回路为本发明的一个优点。图I是本发明亚波长电磁二极管器件的结构示意图；图2是本发明亚波长电磁二极管器件的dB标定传输差值；图3是本发明亚波长电磁二极管器件的示例I于3.52GHz和3.75工作频率不同功率下的工作效率(传输对比度，由参考文献4定义)。具体实施例方式实施例I请参阅附图1，附图2及附图3。本发明涉及的亚波长电磁二极管，由非对称级联的金属谐振单元及部分单元之间具有非线性响应的部件构成，我们给出在微波波段三个谐振单元的设计及实验结果，其中两个谐振单元之间有非线性响应的部件金属谐振单元I、金属谐振单元2、及金属谐振单元3贴片电路及金属谐振单元I与金属谐振单元2之间的非线性部件4(这里为变容二极管)以及近场馈电探头5、6构成，见附图I。具体地金属谐振单元I和2为2.5mmX15.5mm,金属谐振单元3为10.5X9.5mm,金属谐振单元I和2间距0.8mm,金属谐振单元2和3间距0.5mm金属线宽度为0.5_。本实例原理性给出基于三个谐振环的设计，满足亚波长电磁二极管要求的非对称级联的要求，结构比较简单，对于亚波长电磁二极管的性能进行了原理性演示。多个谐振单元级联亦可构成非对称的结果，具有更多可调参数，对于调控电磁二极管的工作效率有更多的自由度。在微波波段实例采用的平面微带结构与太赫兹、红外及可见光波段的设计机理相同，随着技术的进步为波段平面微带结构已越来越多应用于其他波段[文献11，M.Schnell,P.AlonsoGonzalez,LArzubiaga,F.Casanova,LE.Hueso，A.Chuvilin，andR.Hillenbrand，"Nanofocusingofmid-infraredenergywithtaperedtransmissionlines，"NatPhoton5,283-287(2011)]。本发明中的近场探头采用微带近场馈入和接收，不同输入功率下测试反向(右侧馈电)传输和正向(左侧馈电)传输dB标定差值，示于附图2中，在16.0dBm，17.9dBm及19.6dBm功率下结果对比可以看到17.9dBm时有最佳工作频率，最佳工作频率为3.52GHz和3.75GHz，分别为反向电磁二极管(仅右侧馈电导通)和正向电磁二极管(仅左侧馈电导通)。附图3给出在3.52GHz(反向电磁二极管工作频率)和3.75GHz(正向电磁二极管工作频率)工作频率不同输入功率时电磁二极管的工作效率(传输对比度，由参考文献4定义)。权利要求1.一种亚波长电磁二极管，基于耦合谐振透射实现亚波长电磁二极管，其特征在于所述亚波长电磁二极管由非对称级联的三个或三个以上的金属谐振单元与其中部分金属谐振单元之间具有非线性响应的部件以及近场馈入和馈出结构构成；多个金属谐振单元依次级联，部分单元之间需引入具有非线性响应的部件；金属谐振单元的非对称级联中具体非对称的引入可以为对称级联结构中非线性引入引起的非对称，或者级联结构本身的非对称。2.根据权利要求I所述的亚波长电磁二极管，其特征在于所述金属谐振单元为方环、圆环或者其他各种金属结构单元。3.根据权利要求I所述的亚波长电磁二极管，其特征在于利用所述非对称级联的金属谐振单元之间的耦合谐振模式；金属单元的耦合谐振模式能很好地局域和放大相邻间隙中的电磁场；通过在相邻金属单元之间引入非线性响应的部件实现对输运的非线性调控，结合非对称级联实现非对称非线性调控，即电磁二极管。4.根据权利要求I所述的亚波长电磁二极管，其特征在于对于级联金属谐振单元链的输运特性的表征采用近场激励和近场探测；非对称级联的金属单元具有亚波长的尺寸。5.根据权利要求I所述的亚波长电磁二极管，其特征在于所述亚波长电磁二极管的构造原理可以适用于在微波、太赫兹、红外亦或可见光波段，对于微波波段设计非对称级联的金属谐振单元结构由成熟的印刷电路板实现，部分单元之间具有非线性响应的部件可以采用非线性集总元件如变容二极管，对于太赫兹、红外亦和可见光设计非对称级联的金属谐振单元可以利用电子束曝光等加工或者可以利用化学法生长的金属颗粒实现，部分单元之间具有非线性响应的部件可以为各种非线性介质。全文摘要本发明公开了一种基于耦合谐振透射实现的亚波长电磁二极管。亚波长电磁二极管由非对称级联的三个或三个以上的金属谐振单元与其中部分金属谐振单元之间具有非线性响应的部件以及近场馈入和馈出结构构成；多个金属谐振单元依次级联，部分单元之间需引入具有非线性响应的部件；金属谐振单元的非对称级联中具体非对称的引入可以为对称级联结构中非线性引入引起的非对称，或者级联结构本身的非对称。这种电磁二极管设计的亚波长尺寸有益于集成光子回路的小型化；利用局域场增强的强非线性可以实现低功率工作；能实现双频工作；并能直接作为片装集成光子回路组成元件。文档编号H01P1/32GK102800910SQ201110134670公开日2012年11月28日申请日期2011年5月24日优先权日2011年5月24日发明者樊元成,李宏强,韩缙,魏泽勇,武超,曹扬,余兴申请人:同济大学