基于谐振腔耦合金属波导结构全光等离子体开关的制作方法

本发明涉及表面等离子体开关技术领域，具体涉及一种基于谐振腔耦合金属波导结构全光等离子体开关。

背景技术：

表面等离激元(surfaceplasmonpolaritons，spps)是指在金属表面存在的自由振动的电子与入射相同共振频率的光波相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波，使得spps电磁波束缚在金属表面并在垂直于金属表面的方向上呈指数形式衰减。由于spps具有良好的局域特性，并且能突破传统光学中的衍射极限。它可以通过改变金属等导体的表面结构、不同的金属材质或者填充不同的介质来控制光的激发和传播，使得纳米光学集成成为可能。

目前，基于spps的功能光学器件已经提出了绝缘体-金属-绝缘体(imi)结构和金属-绝缘体-金属(mim)波导两种结构。金属-绝缘体-金属(mim)具有空间尺度受限、场空间局域增强等特点之外，mim结构等离子体光波导还因为其具有强的电磁场局域特性，结构简单且易于集成等优点，在纳米集成光学器件方面有着极大的应用前景。因此，各种基于mim结构等离子体光波导的光学器件应运而生，如mim波导结构的y型分束器、mz干涉仪、布拉格反射器、光学缓冲器、环形谐振器、波分复用器以及滤波器等都先后被理论模拟或实验验证。

随着科技的发展，信息技术深刻影响和改变人类的生活方式。与此同时，对于高速信息传输及处理人们有了更高的要求。而这依赖于速度的提高，体积更小的信息处理系统。人们迫切期望能够找到一种可以携带更多数据容量，并且轻便高速的媒介来传输信息。表面等离子体开关具有许多优点，例如结构简单紧凑、尺寸小、不受衍射极限的限制、为电子回路与光子器件的兼容提供了可能等，在诸多领域，尤其光集成、光计算和光信息处理等领域，有广泛的应用前景。为此，陕西师范大学的xiaoqiangbana团队提出了基于耦合圆环形谐振腔等离子体波导的全光双向开关(opticscommunications，2017，10.1016/j.optcom.2017.06.040)，但该波导全光双向开关存在着工作范围较小，且工作时传输损耗较大的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的是现有波导全光双向开关存在着工作范围较小，且工作时传输损耗较大的问题，提供一种基于谐振腔耦合金属波导结构全光等离子体开关。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于谐振腔耦合金属波导结构全光等离子体开关，包括附着在绝缘介质上的金属层，以及镂空嵌设在金属层中的传输波导、谐振腔和共振波导；所述传输波导位于金属层的中部；该传输波导呈直条状，其两端分别延伸至金属层两对边的边缘；所述谐振腔位于传输波导的一侧；该谐振腔呈矩形；所述共振波导位于传输波导和谐振腔之间；该共振波导呈直条状，其一端与传输波导相连通，另一端与谐振腔相连通。

上述方案中，传输波导和共振波导均为矩形；谐振腔为方形。

上述方案中，共振波导延伸方向的中线与传输波导延伸方向的中线垂直；谐振腔的一条对称中心线与共振波导延伸方向的中线重合，且谐振腔的另一条对称中心线与传输波导延伸方向的中线平行。

上述方案中，传输波导的宽度小于等于共振波导的宽度。

上述方案中，当谐振腔和共振波导的数量为2个以上时，这些谐振腔及其对应的共振波导分别位于传输波导的同一侧和/或两侧。

上述方案中，当2个以上的谐振腔及其对应的共振波导位于传输波导的同一侧时，这些谐振腔及其对应的共振波导之间还进一步增设有耦合波导；所述耦合波导位于每2个谐振腔及其对应的共振波导之间；该耦合波导呈直条状，其一端与传输波导相连通，另一端延伸至金属层的边缘。

上述方案中，耦合波导为矩形。

上述方案中，耦合波导延伸方向的中线和传输波导延伸方向的中线垂直。

上述方案中，耦合波导和传输波导的宽度相同。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、本发明基于谐振腔耦合金属波导结构，实现全光等离子体开关，并可通过增加谐振腔和共振波导来实现双向甚至是多向开关特性。

2、通过改变本发明谐振腔的边长、折射率和/或谐振距离来改变滤波结构的传输响应，可获得更好的光学开关特性。

3、本发明的半波宽(fwhm)降低、工作时的最高传输效率增加10％、最小阻带透射率低至0.2％，且其平均工作范围为178nm。

4、本发明为未来的全光集成电路中的滤波器和光开关等领域都有良好的应用前景。

附图说明

图1是一种基于谐振腔耦合金属波导结构的全光等离子体单端口开关的结构示意图。

图2是一种基于谐振腔耦合金属波导结构的全光等离子体双端口开关的结构示意图。

图3是一种基于谐振腔耦合金属波导结构的全光等离子体双端口开关的透射谱图。

图4是一种基于谐振腔耦合金属波导结构中矩形边长采用不同的长度时的透射率曲线图。

图5是一种基于谐振腔耦合金属波导结构中矩形边长采用不同的长度时共振波长变化图。

图6是一种基于谐振腔耦合金属波导结构中谐振腔采用不同的长度时的透射率曲线图。

图7是一种基于谐振腔耦合金属波导结构中谐振腔采用不同的长度时共振波长变化图。

图8是一种基于谐振腔耦合金属波导结构中谐振腔内采用不同的介电折射率的透射率曲线。

图9是一种基于谐振腔耦合金属波导结构中谐振腔内采用不同的介电折射率时共振波长变化图。

图中标号：1、金属层；2、传输波导；3、共振波导；4、谐振腔；5、耦合波导。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

实施例1(单端口开关)：

一种基于谐振腔耦合金属波导结构全光等离子体开关，包括附着在绝缘介质上的金属层1，以及镂空嵌设在金属层1中的传输波导2、谐振腔4和共振波导3。金属层1的材质为金属材料，在本实施例中为银。传输波导2、共振波导3和谐振腔4内填充有空气或其它电介质材料氢、氮等介电材料，在本实施例中，全部为空气。金属层1可利用激光分子束晶体外延生长系统制作在绝缘介质上。传输波导2、谐振腔4和共振波导3可利用聚焦离子束刻蚀技术对金属层1进行刻蚀获得。

所述传输波导2位于金属层1的中部。该传输波导2呈直条状，其两端分别延伸至金属层1两对边的边缘。所述谐振腔4位于传输波导2的一侧。该谐振腔4呈矩形。所述共振波导3位于传输波导2和谐振腔4之间。该共振波导3呈直条状，其一端与传输波导2相连通，另一端与谐振腔4相连通。

在本实施例中，金属层1整体为正方形大小设置为2000*2000nm。传输波导2和共振波导3均为矩形，且传输波导2的宽度小于等于共振波导3的宽度。传输波导2的宽度设置为100nm。共振波导3长度介于100nm～300nm之间。谐振腔4为边长相等的矩形即方形。谐振腔4的边长在250nm～450nm之间。共振波导3延伸方向的中线与传输波导2延伸方向的中线垂直。谐振腔4的一条对称中心线与共振波导3延伸方向的中线重合，且谐振腔4的另一条对称中心线与传输波导2延伸方向的中线平行。

如图1所示，由于谐振腔4及其对应的共振波导3为一个，该全光等离子体开关呈现单端口开关或带阻滤波器特性。此时，传输波导2的两端分别为入射端和出射端。通过在传输波导2的中间放置一个垂直于它的共振波导3使得谐振腔4与传输波导2相连。共振波导3与谐振腔4发生共振耦合，形成一个强大的局域电磁场，使得该结构体现出带阻滤波特性。

实施例2(双端口或多端口开关)：

另一种基于谐振腔耦合金属波导结构全光等离子体开关，包括附着在绝缘介质上的金属层1，以及镂空嵌设在金属层1中的传输波导2、谐振腔4和共振波导3。与实施例1不同的是，实施例2中的谐振腔4及其对应的共振波导3的数量为2个以上，且这些谐振腔4及其对应的共振波导3分别位于传输波导2的同一侧和/或两侧。当2个谐振腔4及其对应的共振波导3位于传输波导2的同一侧时，这些谐振腔4之间形成并联关系。当2个谐振腔4及其对应的共振波导3位于传输波导2的两侧时，这些谐振腔4之间形成串联关系。

为了确保位于同一侧的谐振腔4之间的独立性，当2个以上的谐振腔4及其对应的共振波导3位于传输波导2的同一侧时即谐振器串联时，这些谐振腔4及其对应的共振波导3之间还进一步增设有耦合波导5。所述耦合波导5位于每2个谐振腔4及其对应的共振波导3之间；该耦合波导5呈直条状，其一端与传输波导2相连通，另一端延伸至金属层1的边缘。

在本实施例中，耦合波导5为矩形。耦合波导5延伸方向的中线和传输波导2延伸方向的中线垂直。耦合波导5和传输波导2的宽度相同。

如图2所示，由于谐振腔4及其对应的共振波导3为2个，且位于传输波导2的同一侧即形成并联关系，该全光等离子体开关呈现双端口开关特性。两个不同边长的谐振腔4位于谐振波导的两侧，且同时通过共振波导3耦合到传输波导2。谐振波导延伸至金属层1边缘的一端形成入射端，传输波导2的两端形成2个出射端port1和port2。耦合波导5和传输波导2的宽度w＝100nm，2个谐振腔4的边长s1、s2分别为300、400nm，耦合距离即共振波导3的长度d＝100nm。入射光由左侧耦合波导5进入并激发spps传输，与两个不同边长的方形谐振腔4进行耦合，产生不同透射光谱，实现双口等离子光开关功能。其透射谱图如图3所示，从图3可以看出，该结构能够很好的实现双端口等离子体光开关功能，通过控制入射光的光波长，可动态的控制该结构的光导通端口。当某一个端口在导通状态，则另一个端口耦合的方形锯齿腔产生能量局域效果，从而使其呈现闭合状态。

下面结合附图，通过具体实例来对本发明进行进一步说明：

令波导宽度w＝100nm，耦合距离d＝150nm、谐振腔4介电折射率n＝1时，通过调节谐振腔4边长s，使得谐振腔4边长s分别为250、300、350、400和450nm，即可得到如图4所示的滤波曲线图。谐振腔4边长s和共振波长的关系图如图5所示。

令波导宽度w＝100nm，当谐振腔4边长s＝300nm、谐振腔4介电折射率n＝1时，通过调节谐振腔4与传输出射波导的距离d，使得耦合距离d分别为100、150、200、250和300nm，即可得到如图6所示的滤波曲线图。耦合距离d和共振波长的关系图如图7所示。

令波导宽度w＝100nm，当谐振腔4边长s＝300nm、耦合距离d＝150nm时，通过控制填充材料调节谐振腔4内介电折射率n，使得介电折射率n分别为1，1.1，1.2，1.3和1.4，即可得到如图8所示的滤波曲线图。介电折射率n和共振波长的关系图如图9所示。

结果表明，基于谐振腔4耦合金属波导结构的全光等离子体开关，具有较好的传输特性，其工作导通时最高传输效率可达到92％，闭合状态最小传输效率达0.2％，工作范围为178nm。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。