阅读说明：本技术 一种宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅 (Wide-bandgap chirped hybrid plasmon waveguide Bragg grating ) 是由 许吉 陆昕怡 张思成 周天诺 刘宁 陆云清 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明揭示了一种宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅,所述宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅的最外两端具有导纳匹配层结构,所述宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅包括匹配层结构、第一组混合等离激元波导布拉格光栅、第二组混合等离激元波导布拉格光栅和第三组混合等离激元波导布拉格光栅。该混合等离激元波导布拉格光栅结构简单,能在预设波段实现对TM模式的宽禁带。根据需求设计结构可以实现特定波段的模式宽带选频,通过改变匹配区的波导长度和光栅周期可以实现对特定波段内的通频带的灵活选择,并且能够对高频通带及高频禁带的位置和透射谱调节和优化。(The invention discloses a wide-bandgap chirped hybrid plasmon waveguide Bragg grating, wherein the outmost two ends of the wide-bandgap chirped hybrid plasmon waveguide Bragg grating are provided with admittance matching layer structures, and the wide-bandgap chirped hybrid plasmon waveguide Bragg grating comprises a matching layer structure, a first group of hybrid plasmon waveguide Bragg gratings, a second group of hybrid plasmon waveguide Bragg gratings and a third group of hybrid plasmon waveguide Bragg gratings. The mixed plasmon waveguide Bragg grating is simple in structure and can realize a wide forbidden band of a TM mode in a preset waveband. The structure can be designed according to requirements to realize mode broadband frequency selection of a specific waveband, flexible selection of a pass band in the specific waveband can be realized by changing the waveguide length and the grating period of the matching region, and the positions and transmission spectrums of a high-frequency pass band and a high-frequency forbidden band can be adjusted and optimized.)

一种宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅

技术领域

本发明涉及一种宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅，可用于光通信、集成光学技术领域。

背景技术

在现代通信的发展中，加强设备集成度一直是光子学研究中的重要追求，目前已经提出并开发了以光子晶体波导和表面等离激元波导为代表的各种纳米光学波导结构。其中，表面等离激元波导打破了常规光学研究的衍射极限，但是由于欧姆损耗，该波导不能用于长距离传输，故混合等离激元波导被提出，以便可以平衡损耗和场局域性。该波导结构采用通过在金属和高折射率介质之间引入低折射率介质的方式来减少损耗，同时能够保证出色的场局域能力。由于上述特性，学界已经设计了基于混合等离子体激元波导的各种集成光子器件，包括表面等离子体激元纳米透镜，高效光调制器和偏振射束器。

其中，作为波长依赖的光子器件布拉格光栅，结合HPWs结构以杰出的滤波特性和低损耗特性吸引了很多学者的研究。Xiao Jing等人设计了一种基于HPSW的超紧凑宽带布拉格光栅(Xiao J，Liu J，Zheng Z，et al.Design and analysis of a nanostructuregrating based on a hybrid plasmonic slot waveguide[J].Journal ofOptics，2011，13(10)：105001.)，该布拉格光栅可以在1550nm的中心波长处有75％的透过率且有效模式面积优越，在高集成度的光电子学方向有着广泛的应用前景。重要的是，一个具有高集成度、高利用率特点的光器件，往往在某一结构上进行微调即可实现多个功能，所以研究如何在原有的带通滤波器的基础上解决禁带模式单一性的问题是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：所述宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅由入射端的第一导纳匹配层混合等离激元波导结构与出射端的第二导纳匹配层混合等离激元波导结构，及中部的三组混合等离激元波导布拉格光栅构成；第一组混合等离激元波导布拉格光栅、第二组混合等离激元波导布拉格光栅、第三组混合等离激元波导布拉格光栅均由两种不同的混合等离激元波导交替排列而成。

优选地，所述第一导纳匹配层混合等离激元波导结构、第二导纳匹配层混合等离激元波导结构和第一组混合等离激元波导布拉格光栅、第二组混合等离激元波导布拉格光栅、第三组混合等离激元波导布拉格光栅均在SiO₂基底上方居中放置有高折射率材料Si层，于SiO₂基底两侧分别放置一支撑层ZnO，支撑起金属Ag层，在支撑层与金属层中间填充一过渡层Si₃N₄，所述第一导纳匹配层混合等离激元波导结构、第二导纳匹配层混合等离激元波导结构和第一组混合等离激元波导布拉格光栅、第二组混合等离激元波导布拉格光栅、第三组混合等离激元波导布拉格光栅的高折射率材料Si层的宽度w不同。

优选地，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅由w＝175nm的混合等离激元波导a与w＝350nm的混合等离激元波导b两种混合等离激元波导以abab……a的顺序交替排列N1个周期而成，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N1＝9.5。

优选地，所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅由w＝200nm的混合等离激元波导c与w＝450nm的混合等离激元波导d两种混合等离激元波导以dcdc……dc的顺序交替排列N2个周期而成，所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N2＝10。

优选地，所述第三组混合等离激元波导布拉格光栅由w＝250nm的混合等离激元波导e与w＝525nm的混合等离激元波导f两种混合等离激元波导以fefe……fe的顺序交替排列N3个周期而成，所述第三组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N3＝10。

优选地，所述宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅中的周期长度为Λ＝d_B，1+d_B，2，具体参数值由下式在入射波长求出：

其中，Re(n_eff1)和Re(n_eff2)分别为波导a与波导b的有效折射率的实部；d_B，1和d_B，2分别为波导a与波导b在一个周期内的长度；q为布拉格级数，取1；λ_b为该组布拉格光栅所对应的中心波长。

优选地，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅、第二组混合等离激元波导布拉格光栅和第三组混合等离激元波导布拉格光栅在一个周期内占空比均为0.5，即d_B，1＝d_B，2＝Λ/2＝163nm。

优选地，所述入射端导纳匹配层结构为w＝350nm的混合等离激元波导，该混合等离激元波导在传播方向上的长度为105nm。

优选地，所述出射端导纳匹配层结构为w＝525nm的混合等离激元波导，该混合等离激元波导在传播方向上的长度为85nm。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：该混合等离激元波导布拉格光栅结构简单，能实现指定宽波段处TM模式的截止，能够根据需求灵活设计实现指定宽波段的模式选频，通过改变匹配区的波导长度和光栅周期可以实现对指定波段内的通频带的动态选择，并且能够对高频通带及高频禁带的位置和透射谱的调节优化。

附图说明

图1为本发明的混合等离激元波导的结构xy截面结构示意图。

图2为本发明的混合等离激元波导布拉格光栅的结构xz截面示意图.

图3为本发明的高折射率材料Si宽度w＝175nm、350nm、200nm、450nm、250nm、525nm时TM模式有效折射率的实部随波长的变化曲线图。

图4为本发明的高折射率材料Si宽度w＝175nm、350nm、200nm、450nm、250nm、525nm时TM模式有效折射率的虚部随波长的变化曲线图。

图5为本发明的当结构参数设为：w1＝4000nm，w2＝200nm，h1＝100nm，h2＝15nm，h3＝450nm，h4＝400nm，w1a＝175nm，w1b＝350nm，w2a＝200nm，w2b＝450nm，w3a＝250nm，w3b＝525nm时入射光从空气中垂直入射混合等离激元波导布拉格光栅的TM模式透射谱图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明揭示了一种宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅，所述宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅由入射端的第一导纳匹配层混合等离激元波导结构与出射端的第二导纳匹配层混合等离激元波导结构，及中部的三组混合等离激元波导布拉格光栅构成。第一组混合等离激元波导布拉格光栅、第二组混合等离激元波导布拉格光栅、第三组混合等离激元波导布拉格光栅均由两种不同的混合等离激元波导交替排列而成。

所述第一导纳匹配层混合等离激元波导结构、第二导纳匹配层混合等离激元波导结构和第一组混合等离激元波导布拉格光栅、第二组混合等离激元波导布拉格光栅、第三组混合等离激元波导布拉格光栅均在SiO₂基底上方居中放置有高折射率材料Si层，于SiO₂基底两侧分别放置一支撑层ZnO，支撑起无限宽金属Ag层，在支撑层与金属层中间填充一过渡层Si₃N₄。

所述第一导纳匹配层混合等离激元波导结构、第二导纳匹配层混合等离激元波导结构和第一组混合等离激元波导布拉格光栅、第二组混合等离激元波导布拉格光栅、第三组混合等离激元波导布拉格光栅的高折射率材料Si层的宽度w不同。

所述混合等离激元波导均是在SiO2基底上方居中放置高折射率材料Si层，于SiO2基底两侧分别放置一支撑层ZnO，支撑起无限宽金属Ag层，在支撑层与金属层中间填充一过渡层Si3N4构成。不同的混合等离激元波导各自的高折射率材料Si层的宽度w不同。

所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅由w＝175nm的混合等离激元波导a与w＝350nm的混合等离激元波导b两种混合等离激元波导以abab……a的顺序交替排列N1个周期而成，所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N1＝9.5。

所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅由w＝200nm的混合等离激元波导c与w＝450nm的混合等离激元波导d两种混合等离激元波导以dcdc……dc的顺序交替排列N2个周期而成，所述第二组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N2＝10。

所述第三组混合等离激元波导布拉格光栅由w＝250nm的混合等离激元波导e与w＝525nm的混合等离激元波导f两种混合等离激元波导以fefe……fe的顺序交替排列N3个周期而成，所述第三组混合等离激元波导布拉格光栅的周期数N3＝10。

所述第一组混合等离激元波导布拉格光栅、第二组混合等离激元波导布拉格光栅和第三组混合等离激元波导布拉格光栅的光栅周期长度均为Λ，在一个周期内占空比均为0.5，即d_B，1＝d_B，2＝Λ/2＝163nm。

所述入射端导纳匹配层结构为w＝350nm的混合等离激元波导，该混合等离激元波导在传播方向上的长度d_M，1为105nm。

所述出射端导纳匹配层结构为w＝525nm的混合等离激元波导，该混合等离激元波导在传播方向上的长度d_M，2为85nm。

图1为混合等离激元波导的横截面结构示意图，该结构的材料分布如下所述：该结构的尺寸设置如下：w1＝4000nm，w2＝200nm，h1＝100nm，h2＝15nm，h3＝450nm，h4＝400nm；其中，w1为金属Ag层的宽度，h1为Ag的厚度，h2为过渡层Si3N4的厚度，w2为支撑层ZnO的宽度，h3为支撑层的厚度，w为高折射率层Si的宽度，h4为高折射率层Si的厚度。

图2为在图1混合等离激元波导的基础上引入折射率交替排列的布拉格光栅后的波导器件的纵截面结构示意图。

d_B，1＝d_B，2＝Λ/2＝163nm，w1a＝175nm，w1b＝350nm，w2a＝200nm，w2b＝450nm，w3a＝250nm，w3b＝525nm，d_M，1＝105nm，d_M，2＝85nm。其他结构材料与参数皆与图1中一致。

利用COMSOL Multiphysics软件的有限元算法，对图1的结构进行模式分析，开启参数化扫描，波长范围从1200nm～1900nm，步长为10nm，计算不同波长下该结构的有效折射率，计算结果包含了当高折射率材料Si宽度w＝175nm、350nm、200nm、450nm、250nm、525nm时有效折射率的实部与虚部。图3即为高折射率材料Si宽度w＝175nm、350nm、200nm、450nm、250nm、525nm时TM模式有效折射率的实部随波长的变化曲线，图3中横坐标为波长，纵坐标为折射率实部；图4即为高折射率材料Si宽度w＝175nm、350nm、200nm、450nm、250nm、525nm时TM模式有效折射率的虚部随波长的变化曲线，图4中横坐标为波长，纵坐标为折射率虚部。

当结构参数设为：w1＝4000nm，w2＝200nm，h1＝100nm，h2＝15nm，h3＝450nm，h4＝400nm，w1a＝175nm，w1b＝350nm，w2a--200nm，w2b＝450nm，w3a＝250nm，w3b＝525nm，d_B，1＝d_B，2＝A/2＝163nm，d_M，1＝105nm，d_M，2＝85nm时得到如图5的入射光从空气中垂直入射混合等离激元波导布拉格光栅的TM模式透射谱，图5中横坐标为波长，纵坐标为传输效率。

所述三种混合等离激元波导布拉格光栅内部均为两种不同宽度w的混合等离激元波导周期***替排布，且光栅的入射端为w＝350nm的混合等离激元波导，出射端为w＝525nm的混合等离激元波导。通过将三段周期长度相同的混合等离激元波导布拉格光栅进行串联拼接，并利用导纳匹配原理对整体结构进行优化，得到一种具有双禁带的混合等离激元波导布拉格光栅。

所述宽禁带啁啾混合等离激元波导布拉格光栅中的周期长度为Λ＝d_B，1+d_B，2，具体参数值由下式求出：

其中，Re(n_eff1)和Re(n_eff2)分别为波导a与波导b的有效折射率的实部；d_B，1和d_B，2分别为波导a与波导b在一个周期内的长度；q为布拉格级数，取1；λ_b为该组布拉格光栅所对应的中心波长。

所述三组混合等离激元波导布拉格光栅的光栅周期长度均为163nm。

所述入射端与出射端的导纳匹配层混合等离激元波导结构，且可以通过导纳匹配原理，对导纳匹配区的波导长度进行调制以实现低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。

所述混合等离激元波导布拉格光栅其透射谱在禁带的两侧会出现明显的震荡，为了使得禁带两侧的通带透射谱震荡峰减少，且提高通带的透过率，可利用导纳匹配原理，通过对波导匹配区的长度进行调制，使得其导纳值达到一个特定的最优值Y_op＝X_op+iZ_op。该最优值是通过计算的布拉格结构区最外层的导纳实现的，即下式：

其中，η_R和η_I是最外层的导纳实部和虚部，它是通过其宽度为dB的有效折射率为N_A＝n_A-iκ_A的材料来计算的，即：η_A＝η_R-iη_I＝n_A-iκ_A。正入射情况下有效相位厚度定义为δ_A＝α-iβ＝(2π/λ)(n_A-iκ_A)d_A。

匹配层的导纳由下式计算得出：

其中匹配层的相位厚度为δ_M＝(2π/λ)n_Md_M，为便于计算简单基底的折射率n_sub设为1。通过调整d_M使得Y_M的数值趋近于Y_op即导纳匹配，继而实现了对TM模式低频通带、高频通带及禁带频段的透射谱优化。

所述入射端导纳匹配层结构为w＝350nm的混合等离激元波导，该混合等离激元波导在传播方向上的长度d_M，1为105nm；

所述出射端导纳匹配层结构为w＝525nm的混合等离激元波导，该混合等离激元波导在传播方向上的长度d_M，2为85nm。

该混合等离激元波导布拉格光栅可实现在1450nm-1650nm附近宽波段范围内TM模式的截止，通过改变匹配区的波导长度和光栅周期可以实现对指定波段内的通频带的动态选择，并且可以实现对高频通带及高频禁带的位置和透射谱的调节优化。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。