一种用于光片上网络的混合表面等离子体定向耦合器的制作方法-凯发k8天生赢家

1.本发明涉及光片上网络技术领域，具体涉及一种用于光片上网络的混合表面等离子体定向耦合器。


背景技术：

2.表面等离子体定向耦合器是光学系统中的基础且不可缺少的构件，已被普遍应用于相位调制器、分束器、模变换器以及激光器等方面。虽然已报道的很多光定向耦合器能够进行有效传输并实现定向耦合，但为了满足纳米光子集成的要求，应该保证耦合长度尽量短，避免整体结构过大而在光互连实际应用中失去意义。此外，表面等离子体波导模式存在较大的欧姆损耗，这导致传统表面等离子体定向耦合器整体的传输损耗偏大；表面等离子体定向耦合器的整体设计在追求结构紧凑性时容易忽略弱耦合条件的限制与实际制作加工的难度；传统表面等离子体定向耦合器难以同时实现较强的场局域性与良好的传输特性。在传统表面等离子体波导结构的基础上，所提出来的混合表面等离子体波导，为构造具有超强光场约束能力同时兼具低损耗的光波导提供了新的思路。混合表面等离子体波导通常由高折射率介质区、金属区和它们之间的纳米级低折射率介质区组成。由于基于金属的表面等离子体模式与基于高折射率材料的介质波导模式之间的相互叠加作用，光场能量进一步被增强并限制在低折射率材料区域。另外，利用混合传输模式，将光场能量约束在损耗较小的低折射率材料区域，有效增大了波导的传输距离。因此，在表面等离子体定向耦合器现有的研究基础上，结合现阶段存在的问题，研究并设计综合特性优异且符合光片上网络互连应用需求的新型混合表面等离子体定向耦合器。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的是现有基于光互连的光片上网络中的表面等离子体定向耦合器存在传输损耗偏大、弱耦合条件与实际制作加工难度、难以同时实现较强的场局域性与良好的传输特性的问题，提供一种用于光片上网络的混合表面等离子体定向耦合器。
4.为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于光片上网络的混合表面等离子体定向耦合器，包括二氧化硅衬底(1-3)和两个平行邻近的混合表面等离子体波导(1-1,1-2)，其中波导结构模型由矩形有机聚合物纳米线(2-1)、二氧化硅层(2-2)、和银层(2-3)自上而下叠加而成，其中矩形有机聚合物纳米线为ipc-e和聚砜(polysulfone)制备的主客掺杂型电光聚合(25％ipc-e polysulfone)(折射率为1.67)。该定向耦合器结构模型的组合顺序依次为，在二氧化硅(sio2)缓冲衬底(1-3)上设置厚度为h3的银(ag)层(2-3)，在银层上铺上彼此平行分离且厚度为h2的sio2覆盖层(2-2)，在sio2覆盖层上对应放置两个平行的矩形有机聚合物纳米线(2-1)。ag、sio2和电光聚合物这三种主要材料经过有序分布，组合成两条邻近的混合表面等离子体波导，从而形成所提出的定向耦合器。
5.上述方案中，两条邻近的混合表面等离子体波导结构模型完全一致,即材料，长
度，宽度与高度相同。
6.上述方案中，两条邻近的混合表面等离子体波导分离间距可调。
7.上述方案中，器件所有的组成部分都暴露在空气中。
8.上述方案中，在一定程度上矩形有机聚合物纳米线结构的细微变化，能引起器件的耦合特性与传输特性之间的优势转换，适当调整矩形有机聚合物纳米线结构可实现多种优化特性的组合。
9.与现有技术相比，本发明具有如下特点：
10.1、完全自主设计了用于光片上网络的混合表面等离子体定向耦合器，将表面等离子激元和高折射率材料——有机聚合物，结合设计混合表面等离子体波导结构，并且将其作为定向耦合器的组成部分。
11.2、基于混合表面等离子体波导结构设计的定向耦合器，尺寸能够达到微纳级别，在实现超紧凑、低传输损耗的定向耦合器方面具有显著的竞争优势。
12.3、基于矩形有机聚合物纳米线混合表面等离子体波导的定向耦合器制作工艺更兼容、结构更简单。
13.4、基于混合表面等离子体波导结构设计的定向耦合器具有优异的传输特性和耦合特性，对相关微纳光子器件的研究有借鉴意义，在未来的光片上网络领域将有很好的应用前景。
附图说明
14.图1为一种用于光片上网络的混合表面等离子体定向耦合器的立体结构示意图。
15.图2为一种用于光片上网络的混合表面等离子体定向耦合器的俯视图。
16.图3为一种用于光片上网络的混合表面等离子体定向耦合器的横截面示意图。
17.图4为矩形有机聚合物纳米线混合表面等离子体波导的立体结构示意图。
18.图5为一种用于光片上网络的混合表面等离子体定向耦合器的的二维结构示意图。
19.图中标号：1-1:矩形有机聚合物纳米线混合表面等离子体波导；1-2:矩形有机聚合物纳米线混合表面等离子体波导；1-3：二氧化硅衬底；2-1：矩形有机聚合物纳米线；2-2：二氧化硅层；2-3：银层；w1：波导宽度；w2：二氧化硅衬底宽度；w3：波导分离间距；h1：矩形有机聚合物纳米线厚度；h2：二氧化硅层厚度；h3:银层厚度；h4：二氧化硅衬底厚度；port1：输入端口1；port2：输入端口2；port3：输入端口3；port4：输出端口4；interaction length：耦合长度。
具体实施方式
20.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。
21.一种用于光片上网络的混合表面等离子体定向耦合器，如图1、图2和图3所示。包括二氧化硅衬底和两个平行邻近的混合表面等离子体波导，其中波导结构模型如图4所示，由矩形有机聚合物纳米线(2-1)、二氧化硅层(2-2)、和银层(2-3)，自上而下叠加而成，矩形有机聚合物纳米线材料为ipc-e和聚砜(polysulfone)制备的主客掺杂型电光聚合物(25％
ipc-e polysulfone)(折射率为1.67)。在本实施例中，波导的增益介质层材料选择有机聚合物，其具有优异的光学和电学性能，可提高耦合效率，降低损耗，并且可以制作在任何半导体材料上。
22.该器件结构模型的组合顺序依次为，在二氧化硅(sio2)缓冲衬底(1-3)上设置厚度为h3的银(ag)层(2-3)，在银层上铺上彼此平行分离且厚度为h2的sio2覆盖层(2-2)，在sio2覆盖层上对应放置两个平行的矩形有机聚合物纳米线(2-1)。ag、sio2和电光聚合物这三种主要材料经过有序分布，组合成两条邻近的混合表面等离子体波导(1-1，1-2)，从而形成所提出的定向耦合器。
23.在本实施例中，结合光波导的模式耦合理论与微扰理论模型，相互独立的波导(1-1)和波导(1-2)组成的耦合系统，当耦合系统处于弱耦合情况时，在满足模耦合的相位匹配条件下，才能实现耦合系统的最大能量耦合效率。当耦合系统是由两个完全相同的光波导平行对称组合而成时，其模耦合的相位匹配条件自动满足，即可用于本实例的定向耦合器器件设计。
24.在本实例中，所有的组成部分都暴露在空气中，并使用入射光波长λ＝1550nm的平面波来激发表面等离子体。设置空气的折射率为1，二氧化硅、银和有机聚合物的折射率在此入射波长下分别为1.445、0.1453 11.3587i和1.67。研究表明，在近红外线波长下，表面等离子体在银层的趋肤深度大约保持在20nm左右。因此，为了避免混合波导中的表面等离子模式受银层厚度的影响，这里将银膜厚度h3设置为90nm。综合考虑该混合波导(1-1，1-2)在定向耦合器的应用可行性，这里选择结构模型的几何尺寸为w1＝225nm；h1＝180nm；h2＝27nm；h3＝450nm；w2＝720nm；w3＝90nm。
25.在本实例中，混合表面等离子体定向耦合器的的二维结构示意图如图5所示。假设混合表面等离子体波导沿z方向是均匀的，并且在1550nm的通信波长下该定向耦合器波导内的能量沿z轴方向传输。该定向耦合器的电场能量在y轴方向上的分量分布具有很好的光场局域性。光场能量分布在波导中，主要被约束在二氧化硅层及其上方，同时大部分能量耦合到相邻波导的对应位置。能量高度集中在有机聚合物纳米线的下边缘，这有助于增加二氧化硅层与周围电介质之间的表面等离子体波的倏逝场，从而提高耦合效率。在对称模式下两波导中的光波相位相同，而在反对称模式下两波导中的光波相位相反。无论是对称模式还是反对称模式，其能量的峰值都只存在于波导内，只有一小部分能量溢出在两个波导之间的耦合区域。一般情况下，当两个平行波导的分离间距小于某一阈值，波导间的耦合情况会变得复杂，光波导微扰理论的弱耦合条件将不再适用。当两波导的分离间距w3＝90nm时，该定向耦合器的耦合区电场能量的重叠很小，几乎可以忽略不计。因此，这种情况可以认为是弱耦合情况。
26.基于两波导的分离间距w3这一自变量，分析有效模式折射率的实部re(neff)和传播长度lm在对称模式和反对称模式下的函数关系。通过光波导耦合的微扰理论分析推导可知，对称模式和反对称模式的re(neff)与耦合长度密切相关，而传播长度对光子器件和光路的最大尺寸有重要影响。表面等离子体波在沿着波导传播过程中，其模的功率或强度降到初始值的1/e时所传播的距离，称为传播长度lm，即：
27.lm＝λ0/[4πlm(n
eff
)]
[0028]
根据上式，计算可得该定向耦合器的传播长度，其中lm(n
eff
)表示有效模式折射率neff
的虚部。
[0029]
在本实例中，为深入分析光波导的耦合特性，使用模式的干涉理论研究由两个光波导(1-1，1-2)构成的耦合系统。根据传播常数与有效模式折射率的关系，可得有效模式折射率为复数形式时耦合长度的表达式为：
[0030]
lc＝λ/[2re(n
sym-n
asym
)]
[0031]
其中，n
sym
和n
asym
分别表示对称模式和反对称模式的有效模式折射率。因此，通过数值仿真计算可得到耦合系统在对称模式和反对称模式下的有效模式折射率，结合上式进而可得耦合长度，最后根据耦合长度可求出耦合系数k＝π/2lc。
[0032]
综上所述，本实例在满足模耦合的相位匹配条件下，才能实现耦合系统的最大能量耦合效率。当耦合系统是由两个完全相同的光波导(1-1，1-2)平行对称组合而成时，其模耦合的相位匹配条件自动满足；虽然两个光波导之间较近的距离可以使得耦合效率提高，但存在一定限制，本实例综合考虑耦合理论应用条件与现制作工艺水平，保证耦合系统尽可能处于弱耦合情况，同时符合光波导器件现有制作加工标准；利用仿真软件对耦合系统进行整体优化分析，通过对称模式与反对称模式下的基本参数进行计算，从而得出耦合长度和耦合效率等其他参数。
[0033]
综上所述，本实例具有优异的传输特性和耦合特性，对相关光子器件的研究有借鉴意义，在未来的光互连领域将有很好的应用前景。
[0034]
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。