一种半导体波导与SPP波导耦合器

本发明涉及集成纳米光子芯片，具体为一种半导体波导与spp波导耦合器。

背景技术：

1、近年来，量子信息处理(qip)日益成为量子光学研究领域的主要研究课题，要实现片上集成量子技术平台，集成纳米光子芯片的实现是关键环节。除此之外，纳米光子集成电路在数据通信、信号处理、传感器和量子光子学等领域具有巨大的应用潜力。集成量子芯片技术要求通过低损耗波导将纳米光子元件以及光子检测器件进行耦合实现片上处理系统。目前针对集成微纳光子器件的研究主要是基于半导体材料和金属纳米表面等离激元(spp)结构。其中量子光源的研究主要是利用半导体自组装量子点，仅从应用的角度来看，量子点可以作为单光子源以及逻辑和存储元件，这对量子信息和计算很有用。除此之外，基于光子晶体的集成纳米光子学器件的研究也主要是应用半导体材料。而spp可以通过强场限制有利于近场耦合，也因为超小的模式尺寸而利于器件的集成。将基于半导体的集成纳米光子器件与基于spp的集成纳米光子器件连接起来，必将实现更为强大和全面的光子芯片。而半导体中的k波矢与等离子体的k波矢之间存在很大差距，这意味着很大比例的光波不能直接从半导体耦合到等离子体模式。

2、因此，如何提供一种半导体波导与spp波导耦合器成为了本领域技术人员急需解决的技术问题

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种半导体波导与spp波导耦合器，其既可以将半导体中的光波转换为金属波导的spp模式，又可以将金属波导的spp模式转换为半导体中光波模式，从而可以实现基于半导体的纳米光子器件与基于spp的纳米光子器件的集成。

2、为达上述目的，本发明提供了一种半导体波导与spp波导耦合器，包括：第一耦合器和第二耦合器，所述第一耦合器包括第一半导体波导、第一spp波导和第二spp波导；所述第二耦合器包括第二半导体波导、第三spp波导和第四spp波导；

3、第一spp波导与第二spp波导并排间隔设置，所述第一半导体波导位于第一spp波导与第二spp波导之间，所述第一半导体波导沿光波传输方向，形成v形尖端结构，实现从光波模式到spp模式的转化；

4、第三spp波导与第四spp波导并排间隔设置，所述第二半导体波导位于第三spp波导与第四spp波导之间，所述第二半导体波导的输入端设有v形槽，v形槽的尖端朝向第二半导体波导的输出端，实现从spp模式到光波模式的转化。

5、进一步的，所述第一耦合器的第一spp波导与第二耦合器的第三spp波导连接，所述第一耦合器的第二spp波导与第二耦合器的第四spp波导连接。

6、进一步的，第一半导体波导沿光波传输方向依次设有固定宽度部和宽度逐渐减小部，固定宽度部的宽度为第一固定值，宽度逐渐减小部沿光波传输方向的宽度从第一固定值逐渐减小到零。

7、进一步的，第一spp波导与第一半导体波导之间的间隙尺寸保持不变，第二spp波导与第一半导体波导之间的间隙尺寸保持不变。

8、进一步的，所述第一spp波导与第二spp波导之间的间隙沿光波传输方向从第二固定值逐渐减小到第三固定值，第三固定值大于零；第二固定值大于第一固定值。

9、进一步的，第一半导体波导中集成量子点光源或与半导体光子回路连接。

10、进一步的，第二半导体波导的宽度延其长度方向恒定；v形槽的槽口宽度与第二半导体波导的宽度相同；第三spp波导与第四spp波导之间的间隙大于第二半导体波导的宽度；第三spp波导与第二半导体波导之间的间隙尺寸保持不变，第四spp波导与第二半导体波导之间设有间隙尺寸保持不变。

11、进一步的，第一耦合器的第一spp波导经第一spp波导过渡段与第二耦合器的第三spp波导连接，第一耦合器的第二spp波导经第二spp波导过渡段与第二耦合器的第四spp波导连接，第一spp波导过渡段与第二spp波导过渡段之间的间隙沿光波传输方向从第三固定值逐渐增大到第四固定值，第二耦合器的第三spp波导与第四spp波导之间的间隙等于第四固定值。

12、进一步的，第二半导体波导与半导体光子回路连接。

13、进一步的，第一耦合器的第一spp波导经第一spp波导过渡段与第二耦合器的第三spp波导连接，第一耦合器的第二spp波导经第二spp波导过渡段与第二耦合器的第四spp波导连接，其间连接有spp光子器件，从而实现基于半导体的集成纳米光子器件与基于spp的集成纳米光子器件的集成。

14、本发明的有益效果在于：

15、本发明本发明提出了一种能够实现能量在半导体波导和spp波导之间转换的耦合器件，第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器包括第一半导体波导、第一spp波导和第二spp波导；第二耦合器包括第二半导体波导、第三spp波导和第四spp波导，第一半导体波导位于第一spp波导与第二spp波导之间，第二半导体波导位于第三spp波导和第四spp波导之间，第一半导体波导的宽度沿光波传输方向从第一固定值逐渐减小到零，形成v形尖端结构，第二半导体波导的输入端设有v形槽，v形槽的尖端朝向半导体波导的输出端。本发明既可以将半导体中的光波转换为金属波导的spp模式，也可以将金属波导的spp模式传输至半导体波导中的光波模式，从而可以将基于半导体的光子器件与基于spp的光子器件集成到同一芯片上，实现更为全面和强大的功能。

技术特征：

1.一种半导体波导与spp波导耦合器，其特征在于，包括：第一耦合器和第二耦合器，所述第一耦合器包括第一半导体波导、第一spp波导和第二spp波导；所述第二耦合器包括第二半导体波导、第三spp波导和第四spp波导；

2.如权利要求1所述的一种半导体波导与spp波导耦合器，其特征在于，所述第一耦合器的第一spp波导与第二耦合器的第三spp波导连接，所述第一耦合器的第二spp波导与第二耦合器的第四spp波导连接。

3.如权利要求1所述的一种半导体波导与spp波导耦合器，其特征在于，第一半导体波导沿光波传输方向依次设有固定宽度部和宽度逐渐减小部，固定宽度部的宽度为第一固定值，宽度逐渐减小部沿光波传输方向的宽度从第一固定值逐渐减小到零。

4.如权利要求3所述的一种半导体波导与spp波导耦合器，其特征在于，第一spp波导与第一半导体波导之间的间隙尺寸保持不变，第二spp波导与第一半导体波导之间的间隙尺寸保持不变。

5.如权利要求4所述的一种半导体波导与spp波导耦合器，其特征在于，所述第一spp波导与第二spp波导之间的间隙沿光波传输方向从第二固定值逐渐减小到第三固定值，第三固定值大于零；第二固定值大于第一固定值。

6.如权利要求1或5所述的一种半导体波导与spp波导耦合器，其特征在于，第一半导体波导中集成量子点光源或与半导体光子回路连接。

7.如权利要求5所述的一种半导体波导与spp波导耦合器，其特征在于，第二半导体波导的宽度延其长度方向恒定；v形槽的槽口宽度与第二半导体波导的宽度相同；第三spp波导与第四spp波导之间的间隙大于第二半导体波导的宽度；第三spp波导与第二半导体波导之间的间隙尺寸保持不变，第四spp波导与第二半导体波导之间设有间隙尺寸保持不变。

8.如权利要求7所述的一种半导体波导与spp波导耦合器，其特征在于，第一耦合器的第一spp波导经第一spp波导过渡段与第二耦合器的第三spp波导连接，第一耦合器的第二spp波导经第二spp波导过渡段与第二耦合器的第四spp波导连接，第一spp波导过渡段与第二spp波导过渡段之间的间隙沿光波传输方向从第三固定值逐渐增大到第四固定值，第二耦合器的第三spp波导与第四spp波导之间的间隙等于第四固定值。

9.如权利要求7或8所述的一种半导体波导与spp波导耦合器，其特征在于，第二半导体波导与半导体光子回路连接。

10.如权利要求7所述的一种半导体波导与spp波导耦合器，其特征在于，第一耦合器的第一spp波导经第一spp波导过渡段与第二耦合器的第三spp波导连接，第一耦合器的第二spp波导经第二spp波导过渡段与第二耦合器的第四spp波导连接，其间连接有spp光子器件，从而实现基于半导体的集成纳米光子器件与基于spp的集成纳米光子器件的集成。

技术总结
本发明关于一种半导体波导与SPP波导耦合器，涉及集成纳米光子芯片技术领域。包括第一耦合器和第二耦合器，第一耦合器包括第一半导体波导、第一SPP波导和第二SPP波导；第二耦合器包括第二半导体波导、第三SPP波导和第四SPP波导；第一半导体波导位于第一SPP波导与第二SPP波导之间，第一半导体波导形成V形尖端结构，实现从光波模式到SPP模式的转化；第二半导体波导位于第三SPP波导与第四SPP波导之间，第二半导体波导的输入端设有V形槽，实现从SPP模式到光波模式的转化。本发明既可以将半导体中的光波转换为金属波导的SPP模式，也可以将金属波导的SPP模式传输至半导体波导中的光波模式。

技术研发人员：江萍,李松泽,曾佑韬,马化燕,刘鹏,乔晓振
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14