一种全光二极管的制作方法

本发明涉及纳米光子学领域及集成光学领域，尤其涉及一种基于光学Tamm态的全光二极管。

背景技术：

全光二极管是未来集成光子回路中不可缺少的元件之一，与电子二极管类似，它允许光波仅在一个方向传播。目前已经提出的纳米级全光二极管的方案中，主要使用的结构有：非线性光子晶体和光子带隙微腔、具有各向异性缺陷层的手性光子晶体、具有Kerr非线性缺陷层的左旋周期结构、低对称磁性光子晶体、周期性极化铌酸锂波导、光子晶体光纤。由于常规材料相对较小的非线性光学敏感性和磁光系数，所以一般要求工作阈值非常高，通常在几千兆瓦每立方厘米。此外，它们实现的透射率对比度非常低，通常小于0.9。例如Xue等人设计了一种基于一维光子晶体的、含金属的复合异质结构的全光二极管器件，其正反透射比为0.8148，正向透射率为42％。而Hwang和Song指出通过结合光子带隙效应和不对称液晶光子带隙异质结构的独特界面特性，不用调节光学非线性就能实现低功率全光二极管，但是它的正向透过率也并不高，约为40％。一个高效率的全光二极管不仅需要较大的正反透射比，也需要较高的正向透射率。而基于光学Tamm态(Optic Tamm states,OTS)的全光二极管可以实现具有高正反透射比和单向透射率的全光二极管器件。

OTS是由A.V.Kavokin于2005年提出的一种新型的无耗散局域界面模式，目前能够观测到OTS的结构主要有两种：一维光子晶体异质结结构和金属-DBR结构。这种新型的光学表面态是由电子表面态类比而来，相对于表面等离子体激元(SPPs)，OTS在激发机制和光学特性上具有诸多优势：OTS色散曲线位于光锥内侧，入射光能够直接激发OTS，不需要特定结构；TE和TM偏振光都能够有效激发OTS，没有偏振依赖性；OTS极化激元线宽极窄，比SPPs的线宽小接近一个数量级，具有更强的局域场增强效应；OTS形成于光子晶体界面上，损耗更小，因此，OTS为新型微纳光子器件的设计开辟了新途径。

技术实现要素：

为了解决上述问题，基于光学Tamm态的局域场增强特性，提出一种具有高正反透射比和单向透射率的全光二极管器件。

一种全光二极管，包括MIM(Metal Insulator Metal，金属-介质-金属)波导结构，所述波导内包括DBR(Distributed Bragg Reflection，分布式布拉格反射镜)-金属-均匀介质结构，所述DBR由高折射率介质A和低折射率介质B周期性排列构成，其周期数为N，所述介质A与所述介质B的折射率分别为n_A、n_B，厚度分别为d_A、d_B，满足条件其中ω₀为Bragg频率；所述DBR-金属-均匀介质结构中的金属厚度小于所述全光二极管工作波长λ的趋肤深度；所述DBR-金属-均匀介质结构中的均匀介质折射率为n_C，厚度为d_C，对于全光二极管器件的工作波长λ，满足F-P共振条件n_Cd_C＝jλ/2，其中j为整数。

优选的，所述高折射率介质A为GaAs或TiO₂。

优选的，所述高折射率介质B为Al₂O₃或SiO₂。

优选的，所述金属-介质-金属波导结构中的金属与所述DBR-金属-均匀介质中的金属相同，均为Ag。

优选的，所述DBR的周期数N的范围是5～10。

本发明是一种全光二极管器件，基于OTS的局域场增强效应，利用OTS和F-P腔模的相互耦合作用实现光的单向透射。TM偏振光正向(由DBR侧)入射时，MIM波导内的等离子体激元(SPPs)模式得到有效激发，SPPs沿着波导传输，到达金属-DBR界面，当金属与DBR之间的虚相位及虚阻抗满足匹配条件时，可以进一步在金属与DBR界面处激发出OTS，如果金属厚度较薄(小于工作波长的趋肤深度)，OTS可以透过金属，在金属另一侧的均匀介质中形成F-P共振，并透射出去；TM偏振光反向(由均匀介质侧)入射时，虽然也能激发MIM波导内的SPPs和金属与DBR界面处的OTS，但是由于入射光波长位于DBR禁带中，不能透射，从而实现全光二极管的单向导通功能。本发明的全光二极管器件其正反透射比可达0.982，正向透射率可达87％。本发明的全光二极管器件具有结构简单、尺寸小、且工作波长可调等特点，在光子集成、全光网络等领域有着重要的应用前景。

附图说明

图1为本发明一实施例全光二极管器件的剖面视图；

图2为TM偏振光正向(由DBR侧)入射时，全光二极管器件中的场强分布图；

图3为TM偏振光反向(由均匀介质侧)入射时，全光二极管器件中的场强分布图；

图4为全光二极管器件正向和反向入射时的透射率随入射波长的变化关系，即透射谱图；其中，实线为正向入射时的透射谱，虚线为反向入射时的透射谱

附图标记说明：

1—MIM波导、2—介质B、3—介质A、4—金属层、5—介质C。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示为一种全光二极管器件的剖面视图，包括金属-介质-金属波导结构MIM和波导内的分布式布拉格反射镜(DBR)-金属-均匀介质结构。MIM波导1和波导内的DBR-金属-均匀介质结构的尺寸与入射光波长具有相同量级，但小于入射光波长。构成MIM波导1的金属和DBR-金属-均匀介质结构中的金属可以相同，也可以不同，通常采用贵金属Ag、Au等。在本实施例中，MIM等离子体波导宽度W＝80nm，结构中的介质为空气，金属为Ag，其介电常数参考Drude模型：其中ε_∞＝3.7为带间跃迁对介电常数的贡献，ω_p＝9.1eV为等离子体共振频率，γ＝0.018eV为电子碰撞频率，ω为真空中的入射光频率。

DBR-金属-均匀介质结构中的DBR，由高折射率介质A3和低折射率介质B2周期性排列组成，周期数为7。本实施例中，介质A3为GaAs，介质B2为Al₂O₃,折射率分别为n_A＝3.56，n_B＝1.7，厚度分别为d_A＝68nm，d_B＝94nm；DBR-金属-均匀介质结构中的金属为Ag，其介电常数同样参考Drude模型，其厚度小于入射光波长的趋肤深度，取为d_m＝10nm；DBR-金属-均匀介质结构中的介质C5也为GaAs，厚度d_C＝143nm，对于全光二极管器件的工作波长需满足F-P腔共振条件。通过调节全光二极管器件中介质A3、介质B2、介质C5的材料和厚度，DBR的周期数、以及波导中金属层的厚度等结构参数，可灵活调节全光二极管器件的工作波长，通常，DBR的周期数N为5～10；介质A3和介质B2满足条件其中ω₀为Bragg频率。本实施例中全光二极管器件的工作波长为1310nm。

图2所示为TM偏振光正向(由DBR侧)入射时，全光二极管器件中的场强分布。TM偏振光正向入射时，MIM波导内的SPPs模式得到有效激发，SPPs沿着波导传输，到达金属-DBR界面，进一步在金属与DBR界面处激发出OTS，由于金属厚度较薄(小于工作波长的趋肤深度)，OTS可以透过金属，在金属另一侧的均匀介质中形成F-P共振，并透射出去。

图3TM偏振光反向(由均匀介质侧)入射时，全光二极管器件中的场强分布。TM偏振光反向入射时，虽然也能激发MIM波导内的SPPs和金属与DBR界面处的OTS，但是由于入射光波长位于DBR禁带中，不能透射。

图4全光二极管器件正向和反向入射时的透射率随入射波长的变化关系，即透射谱。其中，实线为正向入射时的透射谱，在工作波长1310nm处有一透射峰，其透射率达87％；虚线为反向入射时的透射谱，由于工作波长1310nm位于DBR的禁带中，其透射率几乎为0。定义全光二极管器件的正反透射比(T₊-T_-)/(T₊+T_-)，T₊表示正向透射率，T_-表示反向透射率，计算可得，全光二极管器件的正反透射比为0.982。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。