一種基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器，包括波導(dǎo)基體，在波導(dǎo)基體上沿著與中心軸平行的方向上設(shè)置有光波入射通道，在光波入射通道的一側(cè)或兩側(cè)加工有n個可與入射光波發(fā)生耦合作用的共振腔，n≥1，在波導(dǎo)基體的外壁上設(shè)置有與共振腔相應(yīng)的光波出射通道，本發(fā)明利用光波與金屬Ag表面自由電子的相互作用，光與Ag介質(zhì)表面發(fā)生耦合作用，光耦合進(jìn)入共振腔，進(jìn)而從光波出射通道輸出，使光的利用更高，有80％多的光可以通過耦合作用輸出，同時通過不同的光波出射通道輸出實現(xiàn)固定波長的脈沖光從指定的通道輸出，也可以在一個共振腔輸出多個方向不同的光，大大加強了結(jié)構(gòu)的實用性，可以改變光波輸出方向并且實現(xiàn)多通道輸出。
【專利說明】
一種基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器。
【背景技術(shù)】
[0002]波分復(fù)用器是光通信領(lǐng)域與光傳感探測領(lǐng)域的重要器件之一，在光通信領(lǐng)域，波分復(fù)用器在無需增加敷設(shè)光線網(wǎng)絡(luò)的情況下實現(xiàn)幾十倍、幾百倍的信道擴容，在光傳感探測領(lǐng)域以波分復(fù)用器為核心的微小型光譜分析儀可應(yīng)用于食品安全檢測、礦井安全檢測、大氣水質(zhì)污染監(jiān)測、醫(yī)學(xué)檢測等。
[0003]目前常用的光波分復(fù)用器有介質(zhì)膜型和光柵型，其中介質(zhì)膜型普遍采用的解決方案是薄膜濾波(TFF)技術(shù)，其光束在傳輸過程中的反射次數(shù)均不相同，各個波長光束的光學(xué)路徑不同，而受激光器芯片、準(zhǔn)直透鏡以及膜片的位置角度影響(如因熱膨脹而發(fā)生偏移)，光束反射次數(shù)過多會造成光束偏移量過大，造成光束不穩(wěn)定，導(dǎo)致波分復(fù)用器的可靠性較低。
[0004]光柵型波分復(fù)用器性能穩(wěn)定、易于批量生產(chǎn)、成本低、適合做密集型波分復(fù)用而得到廣泛研究與應(yīng)用，如陣列波導(dǎo)光柵其是將一個M通道模式復(fù)用器件與M個波分復(fù)用器件相結(jié)合，從而總通道數(shù)得以倍增。但是這種方式的不足是所需波分復(fù)用器件數(shù)量大，導(dǎo)致整體器件尺寸較大，且在實際制作過程中難以保證數(shù)量眾多的AWG完全一致。
[0005]上述的介質(zhì)膜型和光柵型的波分復(fù)用器均存在尺寸較大、成分較高而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性能差等問題。因此，在現(xiàn)有的通信集成領(lǐng)域?qū)Σǚ謴?fù)用器的微型化、可集成化與性能穩(wěn)定之間的協(xié)調(diào)就成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸。
[0006]中國專利CN105388562A公開了一種高效光子晶體1.31/1.55μπι波分復(fù)用器，整個結(jié)構(gòu)的介質(zhì)柱以三角晶格結(jié)構(gòu)排列，晶格常數(shù)a = 0.6ym，介質(zhì)柱半徑r = 0.12ym，材料折射率為2.95，其長度方向含29或30個介質(zhì)柱，寬度方向含14個介質(zhì)柱，其中:去掉倒數(shù)第6排介質(zhì)柱引入一條波導(dǎo)，為波導(dǎo)I;去掉正數(shù)第6排中間部分介質(zhì)柱，兩邊至少各保留4個，形成一條與波導(dǎo)I平行的波導(dǎo)，在右端引出，為波導(dǎo)II;波導(dǎo)I與波導(dǎo)II之間間隔兩排介質(zhì)柱形成相互作用區(qū)，兩波導(dǎo)構(gòu)成方向耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。但是該種結(jié)構(gòu)僅能保持在微米量級，對于納米級的應(yīng)用環(huán)境，其仍然不能滿足，而且其光的透過率不高，影響光的傳輸效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有波分復(fù)用器的尺寸大、集成困難、穩(wěn)定性差的問題，本發(fā)明提供了一種構(gòu)型小、集成性能好、光利用率高并且可同時處理單個或多個光信號的波長的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器。
[0008]本發(fā)明實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是該基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器包括波導(dǎo)基體，在波導(dǎo)基體上沿著與中心軸平行的方向上設(shè)置有光波入射通道，在光波入射通道的一側(cè)或者兩側(cè)加工有η個可與入射光波發(fā)生耦合作用的共振腔，η多I，在波導(dǎo)基體的外壁上設(shè)置有與共振腔相應(yīng)的光波出射通道。
[0009]上述共振腔可以是四邊形，也可以是圓形或者圓環(huán)結(jié)構(gòu)。
[0010]當(dāng)共振腔是并列設(shè)置的圓形共振腔時，共振腔的直徑隨著光波入射光程的延長漸增，共振腔的半徑R與共振腔的個數(shù)i之間滿足:Ri = 180+10 X (1-1)。
[0011 ] 進(jìn)一步，共振腔的半徑R與入射波長λ之間滿足:Ai = 0.99Ri+20( 1-1 )+572，入射波長為 700 ?1300nm。
[0012]上述光波出射通道的輸出方向與光波入射通道的光入射方向形成60?120°的夾角。
[0013]上述共振腔與光波入射通道之間的間距G為5?20nm。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0015](I)本發(fā)明的波分復(fù)用器是基于Ag/空氣介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)小，可實現(xiàn)納米級量級，并且構(gòu)型簡單，集成性更高，在通信集成光路方面有較好的應(yīng)用前景。
[0016](2)本發(fā)明是光在波導(dǎo)中傳播時，利用光波與金屬Ag表面自由電子的相互作用，光與Ag介質(zhì)表面發(fā)生耦合作用，光耦合進(jìn)入共振腔，進(jìn)而從光波出射通道輸出，使光的利用更高，有80%多的光可以通過耦合作用輸出。
[0017](3)本發(fā)明可以同時處理單個或多個波長的光信號，從光波入射通道打入一束固定波長的光時，只要達(dá)到共振腔的共振波長，光就可以在達(dá)到共振波長的那個共振腔處發(fā)生耦合作用，進(jìn)入對應(yīng)的共振腔，從而將一束光分開，通過不同的光波出射通道輸出，進(jìn)而實現(xiàn)固定波長的脈沖光從指定的通道輸出，也可以在一個共振腔上輸出多個方向不同的光，實現(xiàn)多通道輸出，并且可以通過調(diào)整光波輸出通道的角度改變光波的輸出方向，大大加強了結(jié)構(gòu)的實用性。
【附圖說明】
[0018]圖1為實施例1的波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為波長為750nm時光波的輸出示意圖。
[0020]圖3為波長為810nm時光波的輸出示意圖。
[0021 ]圖4為波長為880nm時光波的輸出示意圖。
[0022]圖5為波長為500nm時光波的輸出示意圖。
[0023]圖6為實施例2的波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖7為實施例3的波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖8為實施例4的波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖9為圖8的光波的輸出示意圖。
[0027]圖10為實施例5的波分復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0028]現(xiàn)結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步說明，但是本發(fā)明不僅限于下述的實施情形。
[0029]實施例1
[0030]由圖1可知，本實施例的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器，包括水平放置的波導(dǎo)基體1，本實施例的波導(dǎo)基體1是采用Ag基質(zhì)，在波導(dǎo)基體1上沿著與中心軸平行的方向上加工有直徑為50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的一側(cè)并列加工有3個圓形共振腔2,共振腔2是充滿空氣介質(zhì)空腔，其直徑隨著光波入射光程的延長漸增，共振腔2的半徑R與共振腔2的個數(shù)i之間滿足:Ri = 180+10 X (1-1)，共振腔2的半徑R與入射波長A之間滿足:Ai = 0.99Ri+20(1-l)+572,即本實施例第一個共振腔2的半徑hilSOnm，第二個共振腔2 的半徑R2 = 200nm，第三個共振腔2的半徑R3 = 220nm，3個共振腔2與光波入射通道3之間的間距相等，均為G=10nm，在波導(dǎo)基體1的外壁上設(shè)置有與共振腔2—一對應(yīng)的光波出射通道， 即3個共振腔2分別對應(yīng)3個光波輸出通道4,3個光波輸出通道4的輸出方向與光波入射通道 3的光入射方向垂直，3個共振腔2與光波出射通道之間的間距d等于與光波入射通道3之間的間距G，d=G。[〇〇31] 參見圖2，當(dāng)從光波入射通道3打入一束脈沖寬帶光時，A = 750nm，光從第一個共振腔2里面出去，而沒有進(jìn)入后面的共振腔2,即光束剛好達(dá)到第一個共振腔2的共振波長，與第一個共振腔2發(fā)生耦合作用，進(jìn)入到第一個共振腔2中，進(jìn)而從第一個光波輸出通道4輸出。[〇〇32] 參見圖3,當(dāng)從光波入射通道3打入一束脈沖寬帶光時，A = 810nm，光從第二個共振腔2里面出去，即光束剛好達(dá)到第二個共振腔2的共振波長，與第二個共振腔2發(fā)生耦合作用，進(jìn)入到第二個共振腔2中，進(jìn)而從第二個光波輸出通道4輸出。[〇〇33] 參見圖4,當(dāng)從光波入射通道3打入一束脈沖寬帶光時，A = 880nm，光從第三個共振腔2里面出去，即光束剛好達(dá)到第三個共振腔2的共振波長，與第三個共振腔2發(fā)生耦合作用，進(jìn)入到第三個共振腔2中，進(jìn)而從第三個光波輸出通道4輸出。[〇〇34] 參見圖5，當(dāng)從光波入射通道3打入一束脈沖寬帶光時，A = 500nm，脈沖寬帶光通過直波導(dǎo)時，與共振腔2沒有發(fā)生耦合作用，即光沒有進(jìn)入共振腔2中，而是直接通過波導(dǎo)，被邊界所吸收。
[0035]由此說明，本實施例的波分復(fù)用器可以實現(xiàn)定向輸出并且可以同時處理多個波長的光信號。
[0036]實施例2[〇〇37]參見圖6,本實施例的波導(dǎo)基體1是一個厚度為50nm的長方形薄片，采用Ag基質(zhì)，在波導(dǎo)基體1上沿著與中心軸平行的方向上加工有寬度為50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的一側(cè)并列加工有3個圓環(huán)形共振腔2,共振腔2是充滿空氣介質(zhì)空腔，其直徑隨著光波入射光程的延長漸增，即本實施例第一個共振腔2的外徑R^=180nm，內(nèi)徑R_=150nm，第二個共振腔2的外徑R2外=200nm，內(nèi)徑R2內(nèi)=170nm，第三個共振腔2的外徑R3外=220nm，內(nèi)徑 R3內(nèi)=180nm，3個共振腔2與光波入射通道3之間的間距相等，均為G = 20nm，在波導(dǎo)基體1的外壁上設(shè)置有與共振腔2—一對應(yīng)的光波出射通道，即3個共振腔2分別對應(yīng)3個光波輸出通道4,3個光波輸出通道4的輸出方向與光波入射通道3的光入射方向垂直，3個共振腔2與光波出射通道之間的間距d等于與光波入射通道3之間的間距G，d=G。[〇〇38] 工作原理與實施例1相同。[〇〇39] 實施例3[〇〇4〇]參見圖7,本實施例的波導(dǎo)基體1是一個厚度為50nm的正方形薄片，采用Ag基質(zhì)，在波導(dǎo)基體1上沿著與中心軸平行的方向上加工有寬度為50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的上下兩側(cè)分別加工有圓形共振腔2,共振腔2內(nèi)充滿空氣介質(zhì)空腔，按照其分布位置分布上共振腔組2-1和下共振腔組2-2,上共振腔組2-1包括有3個等間距分布的圓形共振腔 2,3個上共振腔2的直徑隨著光波入射光程的延長漸增，共振腔2的半徑R與共振腔2的個數(shù)i 之間滿足:Ri= 180+10 X (1-1)，共振腔2的半徑R與入射波長A之間滿足:M = 〇.99Ri+20( 1-1) +572，即本實施例第一個共振腔2的半徑h = 180nm，第二個共振腔2的半徑R2 = 200nm，第三個共振腔2的半徑R3 = 220nm，3個共振腔2與光波入射通道3之間的間距相等，均為G = 10nm。在光波入射通道3的下側(cè)也加工有由3個與上共振腔2——對應(yīng)的下共振腔組2_2成的下共振腔組2-2，下共振腔2與上共振腔2的直徑一致，均滿足Ri = 180+10 X (1-1 )，共振腔2 的半徑R與入射波長入之間滿足Ai = 0.99Ri+20 (1-1 )+572。在每個上共振腔2和下共振腔2的外側(cè)均加工有與共振腔2—一對應(yīng)的光波出射通道，即在在波導(dǎo)基體1的上下側(cè)外壁上設(shè)置有與上共振腔2和下共振腔2—一對應(yīng)的光波出射通道，使得當(dāng)進(jìn)入光波入射通道3達(dá)到共振波長時，與上、下共振腔2發(fā)生耦合，進(jìn)入相應(yīng)共振腔2內(nèi)，可以從上下兩側(cè)對應(yīng)的光波輸出通道4輸出。[0041 ] 實施例4[〇〇42]參見圖8和9,本實施例波導(dǎo)基體1波導(dǎo)基體1是采用Ag基質(zhì)，是一個長為2wii，寬為 200nm，厚度為50nm的薄片，在波導(dǎo)基體1上沿著與中心軸平行的方向上加工有寬度為50nm 的光波入射通道3,在光波入射通道3的上側(cè)加工有1個充滿空氣介質(zhì)的圓形共振腔2,共振腔2共振腔2共振腔2與光波入射通道3之間的間距是20nm，共振腔2光波入射通道3在波導(dǎo)基體1的上側(cè)外壁上加工有3個與共振腔2對應(yīng)的光波出射通道，3個光波出射通道與光波入射通道3之間的夾角分別為60°、90°和120°，當(dāng)波導(dǎo)基體1共振腔2共振腔2光波入射通道3共振腔2光波入射通道3共振波通過耦合作用進(jìn)入共振腔2之后可以從3個不同的方向經(jīng)不同的光波出射通道輸出，達(dá)到改變光波輸出方向的目的，并且實現(xiàn)多方向輸出。[〇〇43]其他的設(shè)計及其工作原理與實施例1相同。
[0044] 實施例5[〇〇45]本實施例波導(dǎo)基體1是采用Ag基質(zhì)，是一個長為2_，寬為200nm，厚度為50nm的薄片，參見圖10,在波導(dǎo)基體1上沿著與中心軸平行的方向上加工有直徑為50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的上側(cè)和下側(cè)分別加工有充滿空氣介質(zhì)的方形共振腔2組，即分別為上共振腔組2-1和下共振腔組2-2，上共振腔組2-1與光波入射通道3之間的間距是5nm，下共振腔組2-2與光波入射通道3之間的間距是10nm，上共振腔組2-1是由3個邊長不等的正方形上共振腔組2-1成，下共振腔組2-2是由3個邊長不等的正方形下共振腔組2-2成，在波導(dǎo)基體1的上側(cè)外壁上加工有與上共振腔2對應(yīng)的上光波出射通道，每個上共振腔2對應(yīng)有3個上光波出射通道，每個上共振腔2對應(yīng)的3個上光波出射通道與光波入射通道3之間的夾角分別為60°、90°和120°，60°同理，在波導(dǎo)基體1的下側(cè)外壁上加工有與下共振腔2對應(yīng)的下光波出射通道，每個下共振腔2對應(yīng)有3個下光波出射通道，每個下共振腔2對應(yīng)的3個下光波出射通道與光波入射通道3之間的夾角分別為60°、90°和120°，60°即共振波通過耦合作用進(jìn)入共振腔2之后可以從3個不同的方向經(jīng)不同的光波出射通道輸出，達(dá)到改變光波輸出方向的目的，并且實現(xiàn)多方向輸出。
[0046]其他的設(shè)計及其工作原理與實施例1相同。
[0047]上述實施例中的共振腔的個數(shù)可以根據(jù)波導(dǎo)基體的尺寸確定，可以是1個也可以是多個，另外，光波輸出通道的個數(shù)以及輸出的角度也可以根據(jù)實際應(yīng)用需求進(jìn)行確定，通過光波輸出通道的角度和個數(shù)可以改變光波的輸出方向，并且可實現(xiàn)多通道輸出。
【主權(quán)項】
1.一種基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器，包括波導(dǎo)基體(I)，其特征在于:在波導(dǎo)基體(I)上沿著與中心軸平行的方向上設(shè)置有光波入射通道(3)，在光波入射通道(3)的一側(cè)或兩側(cè)加工有η個可與入射光波發(fā)生耦合作用的共振腔(2)，n多I，在波導(dǎo)基體(I)的外壁上設(shè)置有與共振腔(2)相應(yīng)的光波出射通道。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器，其特征在于:所述共振腔(2)是圓形或四邊形或圓環(huán)結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器，其特征在于:所述共振腔(2)是并列設(shè)置的圓形共振腔(2)，并且共振腔(2)的直徑隨著光波入射光程的延長漸增，共振腔(2)的半徑R與共振腔(2)的個數(shù)i之間滿足:Ri = 180+10 X (1-1)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器，其特征在于所述共振腔(2)的半徑R與入射波長λ之間滿足:Ai = 0.99Ri + 20(1-l )+572，入射波長為700?1300nmo5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器，其特征在于:所述光波出射通道的輸出方向與光波入射通道(3)的光入射方向形成60?120°的夾角。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結(jié)構(gòu)波分復(fù)用器，其特征在于:所述共振腔(2)與光波入射通道(3)之間的間距G為5?20nm。
【文檔編號】G02B6/12GK106019473SQ201610555794
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月14日
【發(fā)明人】李曉輝, 龐星星, 鄒德峰, 柴通, 高鵬飛
【申請人】陜西師范大學(xué)