专利名称：基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及表面等离子激元光学领域，具体地，涉及ー种基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器。
背景技术：
随着微纳米加工技术的提高，适用于芯片集成化的超小尺寸光学器件已逐渐成为未来纳米光子领域的重要发展目标。相较发展已非常成熟的集成电子元件，光子集成具有响应速度快，能量损耗低等优势，在光通信和光计算等领域将具有极大的潜在应用价值。然而，传统光子器件在尺寸上受到衍射极限的制約。无论是普通电介质(晶体，半导体，聚合物)波导，还是光子晶体波导，其能够支持的最小光场模式的尺寸均难以突破波长量级，因 而无法进ー步减小光子器件的体积，使其能够在纳米尺度上与现有集成电子回路实现互联。解决这ー问题的一种有效方案是在金属微结构上激发表面等离子激元。表面等离子激元是ー种在金属-电介质界面上通过极化电子云与电磁波耦合共振而形成的特殊电磁模式，在金属表面具有強烈的光场限域特性，这为在亚波长尺度下传播电磁场，实现纳米尺度的光子元件提供了可能。然而，金属的欧姆损耗将限制表面等离子波的传输距离。传统基于金属-电介质表面的表面等离子结构尺寸相对较大，不利于深度集成，并可能导致明显的传输损耗，因而需要通过合适的结构设计尽可能减小器件尺寸以降低损耗。另ー方面，文献已报道的表面等离子光学结构多为被动器件，例如波导，谐振腔，分束器，滤波器等，这些器件或结构不能对表面等离子波进行可控的主动调制，难以满足微纳光信息处理的要求。传统上，实现光学调制的方法一般包括电-光，声光，热光，磁光及全光调制，其中电-光调制具有易集成，响应速度快等特点，适合于在微纳光路中使用。通常，为了引入电-光效应人们可以使用普克尔型电光晶体或液晶产生的相位调制，亦可使用具有Franz-Keldysh效应的半导体量子讲材料产生的电致吸收。如何通过合适的设计将上述电-光调制机制引入到微纳尺寸的表面等离子结构中，并大幅降低其能量消耗是发展表面等离子光调制器件的关键。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，该基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器是横向上具有深亚波长空间尺度的光调制器件，通过将介电布拉格反射镜引入亚波长尺寸的金属狭缝波导形成共振微腔，克服了衍射极限对传统光调制器尺寸的限制，并大幅减小调制所需的外加电压和能量，提高器件响应速度。根据本发明的ー个方面，提供一种基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，包括表面等离子波导、两个布拉格反射镜、共振微腔、输入耦合装置和输出耦合装置，两个布拉格反射镜间隔设置在表面等离子波导的中心层，共振微腔设置在两个布拉格反射镜之间，输入耦合装置和输出耦合装置分别连接至表面等离子波导的左右端面。
优选地，该表面等离子波导为亚波长尺度金属狭缝波导。优选地，该布拉格反射镜为电介质布拉格光栅。优选地,该共振微腔为Fabry_P6rot型谐振腔，内部由电光/电吸收材料填充。优选地，该输入耦合装置和输出耦合装置均为端面拉锥后的亚微米光纤。优选地，该光学调制器对输出光的调制采用电光调制和电吸收调制。优选地，该表面等离子波导的色散方程为
权利要求
1.一种基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，包括表面等离子波导、两个布拉格反射镜、共振微腔、输入耦合装置和输出耦合装置，所述两个布拉格反射镜间隔设置在所述表面等离子波导的中心层，所述共振微腔设置在所述两个布拉格反射镜之间，所述输入耦合装置和输出耦合装置分别连接至所述表面等离子波导的左右端面。
2.根据权利要求I所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述表面等离子波导为亚波长尺度金属狭缝波导。
3.根据权利要求I所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述布拉格反射镜为电介质布拉格光栅。
4.根据权利要求I所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述共振微腔为Fabry-P6rot型谐振腔，内部由电光/电吸收材料填充。
5.根据权利要求I所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述输入耦合装置和输出耦合装置均为端面拉锥后的亚微米光纤。
6.根据权利要求I所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述光学调制器对输出光的调制采用电光调制和电吸收调制。
7.根据权利要求I所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述表面等离子波导的色散方程为 其中，t为波导宽度，￡1和ε2分别表示电介质和金属层的介电常数；ω是入射光的角频率；c为自由空间中的光速；kx，kz分别代表垂直和平行于传播方向上表面等离子波的波矢。
8.根据权利要求7所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，金属层的介电常数ε 2依赖于入射光的频率，在近红外波段，用Drude模型描述如下 其中ε 是角频率无穷大时的介电常数，《。是等离子频率，Υ表示碰撞频率。
9.根据权利要求7所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述布拉格反射镜的反射条件为Re (neffl) di+Re (neff2) d2= λ /2(4) 其中nrff=kzc/ 为导模的有效折射率，nrffdPneff2根据公式(1)，(2)得到吨和d2为折射率分别为A =^和《2 的两种电介质的厚度，λ为入射光在真空中的波长。
10.根据权利要求9所述的基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，其特征在于，所述共振微腔的谐振条件由如下方程描述 其中Φ代表腔体两端反射造成的相移，m是共振级次，L表示微腔的长度。
全文摘要
本发明提供了一种基于金属纳米波导的表面等离子光学调制器，包括表面等离子波导、两个布拉格反射镜、共振微腔、输入耦合装置和输出耦合装置，两个布拉格反射镜间隔设置在表面等离子波导的中心层，共振微腔设置在两个布拉格反射镜之间，输入耦合装置和输出耦合装置分别连接至表面等离子波导的左右端面。本发明实现了亚波长空间尺度的光学调制，克服了衍射极限对传统光调制器尺寸的限制，并大幅减小调制所需的外加电压和能量，提高器件响应速度，具有小尺寸，高响应速度等特点，可以在1550nm通讯波段实现对输出光90%的调制深度，为实现亚波长光学调控以及设计亚波长光学器件提供了一种可行方案。
文档编号G02F1/03GK102955268SQ20121042232
公开日2013年3月6日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者寇尧, 陈险峰 申请人:上海交通大学