专利名称：基于表面等离子体集成的光复用/解复用器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及集成光电子技术领域，尤其涉及一种基于表面等离子体集成的光复用 /解复用器及其制备方法。
背景技术：
众所周知，集成电路中信息的运载和处理能力遭遇不可克服的瓶颈，各部分之间 的数据交换的速度面临相当大的限制，而采用光信号传输数据可以获得千倍的带宽，故而 集成光子学给出了解决这一难题的一个有效途径。集成光学器件包括光源、光波导、光子晶 体、光开关、光信号滤波器、光复用/解复用器、光调制器和光探测器等。其中，光复用/解 复用器实现将多个波长信号光进行组合或者分解的功能，是光通信、光信号处理领域的重 要器件之一。目前集成型的光复用/解复用器大多采用光学微环谐振腔或者光子晶体等结 构构成。然而由于受到衍射极限和弯曲损耗等因素的限制，这种基于传统介质波导的光电 子器件结构复杂、尺寸较大，阻碍了器件的小型化和大规模集成化。图1为采用光学微环谐振结构的传统光复用/解复用器的结构示意图，它是基于 介质波导(介质波导的结构如图2所示)的，这类结构尺寸一般很大。例如以目前的研究水 平来说，单个微环谐振腔的半径至少需要几个微米，要实现多个波长的复用/解复用功能， 就需要多个微环进行级联，这样整个器件的尺寸就很大，结构也比较复杂。近年来，随着纳米光电子技术的不断进步，一种全新的波导结构——表面等离子 体(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)波导成为集成光学领域的新兴研究方向。表面 等离子体存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直 于界面的方向呈指数衰减。它具有较强的场限制特性，能够将能量约束在空间尺寸远小于 其自由空间波长的区域。特别是金属/介质/金属的金属狭缝波导模式，它能够实现对光 场的亚波长约束，在纳米尺度上控制和限制光场。另外，利用金属/介质界面天然的反射 端面，一些特殊的谐振腔结构可以被很好地被用于构造光学滤波器或者光复用/解复用器 件。其中，金属/介质/金属波导又称为金属狭缝波导，金属狭缝波导是表面等离子体波导 的一种，是由两块相隔一定间距的金属板组成，该波导结构如图3所示，波导的宽度为W。在 此波导结构中，光场会被限制在中间的介质层中传输。
发明内容
(一)要解决的技术问题针对传统光复用/解复用器结构复杂，器件尺寸较大等缺陷，本发明要解决的技 术问题是如何提供一种新型的基于表面等离子体集成的光复用/解复用器及其制备方法， 以极大地减小光电子器件的尺寸，并提高其集成度。( 二 )技术方案为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于表面等离子体集成的光复用/解复 用器，包括金属狭缝波导，以及在所述金属狭缝波导中形成的多个谐振腔和耦合区，所述金属狭缝波导包括一条总线波导以及多条分支波导，所有谐振腔通过一个耦合区与所述总线 波导耦合连接，每个谐振腔还通过另一耦合区与一个分支波导耦合连接。其中，所述耦合区为采用倏逝耦合方式形成的耦合区或者采用孔径耦合方式形成 的耦合区。其中，所述谐振腔垂直或者平行于总线波导。其中，所述谐振腔为法布里-珀罗谐振腔结构。其中，所有谐振腔位于总线波导的一侧或者分布于总线波导的两侧。其中，采用倏逝耦合方式形成耦合区时，波导与对应谐振腔之间的耦合强度由波 导与对应谐振腔之间的耦合距离决定。其中，采用孔径耦合方式形成耦合区时，波导与对应谐振腔之间的耦合强度由耦 合区的耦合孔径的宽度来决定。其中，所述谐振腔垂直于总线波导时，分支波导与对应谐振腔之间的耦合位置位 于该谐振腔的端面或侧面；所述谐振腔平行于总线波导时，分支波导与对应谐振腔之间的 耦合位置位于该谐振腔的端面或侧面。其中，相邻的谐振腔之间的距离大于40nm。本发明还提供了一种基于表面等离子体集成的光复用/解复用器的制备方法，包 括以下步骤Si、在衬底上镀上一层金属层；S2、在所述金属层上刻蚀所述的光复用/解复用器。(三)有益效果本发明采用金属狭缝波导结构，可以极大地减小光电子器件的尺寸，并提高其集 成度；通过谐振腔之间的距离的设计可以避免相邻分支波导的模场间的相互干扰；通过耦 合区结构的设计，可以降低对加工精度要求(孔径耦合的结构可以降低加工工艺的要求)。
图1是传统的光复用/解复用器的结构示意图；图2是图1的介质波导的结构示意图；图3是金属狭缝波导的结构示意图；图4、5是本发明的两个光复用/解复用器实施例的俯视图；图6是一个1X6光复用/解复用器的透射频谱图；图7是本发明另一实施例的俯视图；图8是本发明的方法流程图；图9是侧面耦合输出结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细说明。以下实施 例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图4、5所示，为IXN光复用/解复用器结构示意图。其具有复用和解复用的 两种功能。“1XN”表明是N路的光复用/解复用结构，“1”表明该结构中具有一根总线波导，“N”表示有N根分支波导(总线波导和分支波导均由金属/介质/金属波导中的介质 组成)。例如解复用时，N个波长的信号光(或者说含有N个波长信号的光场)都在总线波 导中输入，然后N个波长的信号光可以分别从这N根分支波导中输出，故称为“ 1 XN光复用 /解复用器”(也可参照图1)。图4、5的两种结构均包括金属狭缝波导，以及在所述金属狭缝波导中形成的多个 谐振腔和耦合区，所述金属狭缝波导包括一条总线波导以及多条分支波导，所有谐振腔通 过一个耦合区(图4中为倏逝耦合区，图5中为孔径耦合区)与所述总线波导耦合连接，每 个谐振腔还通过另一耦合区(图4中由每个分支波导与对应谐振腔之间的金属组成，图5 中由每个分支波导与对应谐振腔之间的介质组成)与一个分支波导耦合连接。谐振腔均垂 直于总线波导，分支波导与对应谐振腔之间的耦合位置位于该谐振腔的端面(也可以位于 谐振腔侧面，如图9所示)。所述谐振腔为法布里-珀罗谐振腔结构。所有谐振腔位于总线 波导的一侧。如图4、5所示的金属狭缝波导(即金属/介质/金属波导)中的介质为任意 一般介质材料(例如空气)。谐振腔长度和宽度可以在纳米/微米量级上的任意尺寸。通过对谐振腔的长度或 宽度的合理设计(谐振腔的宽度优选为0至几百个纳米之间，长度为0至几个微米之间)可 以实现对特定波长的光复用/解复用功能。相邻通道的谐振腔之间的距离为大于40nm的 任意值，这样可以避免相邻分支波导的模场间的相互干扰。一个输出端口(分支波导)对 应一个光信号通道(即图4、5中的“通道”)。图4采用倏逝耦合的方式实现，此时，波导(总线波导或分支波导)与对应谐振腔 之间的耦合强度由波导(相应地为总线波导或分支波导)与对应谐振腔之间的耦合距离 决定，耦合距离越大，波导与谐振腔之间的耦合强度越小，各个通道中透射频谱带宽就会变 窄。例如当耦合区距离进一步变大时，图6中6条透射谱线的宽度会变窄。工作原理为 在总线波导中传播的不同波长的光场能够以倏逝波的方式耦合进入不同谐振腔中，并在不 同的分支波导中输出，以此实现解复用功能。同理，当光场从分支波导输入，也可以实现复 用功能。图5采用孔径耦合的方式实现，此时波导(总线波导或分支波导)与对应谐振腔 之间的耦合强度由耦合区的耦合孔径的宽度来决定，孔径宽度越小，波导与谐振腔之间的 耦合强度越小，各个通道中透射频谱带宽就会变窄。工作原理和上面类似，不同之处是不同 波长的光场是通过孔径的方式耦合进入谐振腔，并在腔内产生谐振。孔径耦合方式是金属/ 介质/金属波导结构中的一种特别的耦合方式，其无法在例如图2所示的传统介质波导中 实现。上述两种耦合方式结构的比较倏逝耦合方式由于SPI^s模式电磁场在金属中的渗透(趋肤)深度小于30nm，故 只有当波导和谐振腔之间的耦合距离(图5中的t)小于30nm时，才具有较高的耦合强度， 电磁场才能有效的倏逝耦合进入谐振腔，这就要求制作工艺中需要较高的加工精度。孔径耦合方式耦合强度与耦合距离t无关，而是通过改变耦合孔径的宽度来调 节，不受30nm的渗透(趋肤)深度的限制，故更容易加工。图6是一个1X6光复用/解复用器实例的透射频谱图，1 6分别为通道1 通 道6。通过选择合适的谐振腔结构参数(例如长度)，可以实现对特定波长的解复用功能。结构如图4所示，此时N = 6，总线波导和分支波导的宽度w = 50nm，谐振腔的宽度Wt = 50nm，耦合距离t = 15nm,图6中从左到右依次为通道1 通道6的透射谱线，与通道1 通道6对应的6个谐振腔的长度分别为250nm、285nm、320nm、355nm、390nm以及425nm。如图7所示，本发明还提供了另一种结构的光复用/解复用器。其中，谐振腔平行 于总线波导，分布于总线波导的两侧，分支波导与对应谐振腔之间的耦合位置位于该谐振 腔的侧面。如图8所示，本发明还提供了一种基于表面等离子体集成的光复用/解复用器的 制备方法，包括以下步骤Si、在衬底上镀上一层金属层；该衬底为非吸收性材料，例如二氧化硅。S2、在所述金属层上刻蚀所述的光复用/解复用器。由以上实施例可以看出，本发明采用金属/介质/金属的波导结构，它不存在导波 模式(图1)的截止宽度，故波导宽度可以为纳米/微米量级的任意尺寸，例如，波导的宽度 可以小到几十纳米甚至几纳米，而传统的介质波导(图2)的尺寸至少为几百纳米甚至微米 量级，因此本发明可以极大地减小光电子器件的尺寸，并提高其集成度，可以应用于光子集 成、光通信等领域。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型 也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于表面等离子体集成的光复用/解复用器，其特征在于，包括金属狭缝波导， 以及在所述金属狭缝波导中形成的多个谐振腔和耦合区，所述金属狭缝波导包括一条总线 波导以及多条分支波导，所有谐振腔通过一个耦合区与所述总线波导耦合连接，每个谐振 腔还通过另一耦合区与一个分支波导耦合连接。
2.如权利要求1所述的光复用/解复用器，其特征在于，所述耦合区为采用倏逝耦合方 式形成的耦合区或者采用孔径耦合方式形成的耦合区。
3.如权利要求1所述的光复用/解复用器，其特征在于，所述谐振腔垂直或者平行于总 线波导。
4.如权利要求3所述的光复用/解复用器，其特征在于，所述谐振腔为法布里-珀罗谐 振腔结构。
5.如权利要求1所述的光复用/解复用器，其特征在于，所有谐振腔位于总线波导的一 侧或者分布于总线波导的两侧。
6.如权利要求2所述的光复用/解复用器，其特征在于，采用倏逝耦合方式形成耦合区 时，波导与对应谐振腔之间的耦合强度由波导与对应谐振腔之间的耦合距离决定。
7.如权利要求2所述的光复用/解复用器，其特征在于，采用孔径耦合方式形成耦合区 时，波导与对应谐振腔之间的耦合强度由耦合区的耦合孔径的宽度来决定。
8.如权利要求3所述的光复用/解复用器，其特征在于，所述谐振腔垂直于总线波导 时，分支波导与对应谐振腔之间的耦合位置位于该谐振腔的端面或侧面；所述谐振腔平行 于总线波导时，分支波导与对应谐振腔之间的耦合位置位于该谐振腔的端面或侧面。
9.如权利要求1所述的光复用/解复用器，其特征在于，相邻的谐振腔之间的距离大于 40nmo
10.一种基于表面等离子体集成的光复用/解复用器的制备方法，其特征在于，包括以 下步骤s1、在衬底上镀上一层金属层；s2、在所述金属层上刻蚀权利要求1 9任一项所述的光复用/解复用器。
全文摘要
本发明公开了一种基于表面等离子体集成的光复用/解复用器，属于集成光电子技术领域。包括金属狭缝波导，以及在所述金属狭缝波导中形成的多个谐振腔和耦合区，所述金属狭缝波导包括一条总线波导以及多条分支波导，所有谐振腔通过一个耦合区与所述总线波导耦合连接，每个谐振腔还通过另一耦合区与一个分支波导耦合连接。本发明还提供了一种上述产品的制备方法。本发明可以极大地减小光电子器件的尺寸，并提高其集成度，可以应用于光子集成、光通信等领域。
文档编号G02B6/28GK102141651SQ20111008610
公开日2011年8月3日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者周治平, 易华祥, 胡飞飞 申请人:北京大学