專利名稱：基于表面等離子體集成的光復(fù)用/解復(fù)用器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于表面等離子體集成的光復(fù)用 /解復(fù)用器及其制備方法。
背景技術(shù)：
眾所周知，集成電路中信息的運(yùn)載和處理能力遭遇不可克服的瓶頸，各部分之間 的數(shù)據(jù)交換的速度面臨相當(dāng)大的限制，而采用光信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)可以獲得千倍的帶寬，故而 集成光子學(xué)給出了解決這一難題的一個(gè)有效途徑。集成光學(xué)器件包括光源、光波導(dǎo)、光子晶 體、光開關(guān)、光信號(hào)濾波器、光復(fù)用/解復(fù)用器、光調(diào)制器和光探測(cè)器等。其中，光復(fù)用/解 復(fù)用器實(shí)現(xiàn)將多個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)光進(jìn)行組合或者分解的功能，是光通信、光信號(hào)處理領(lǐng)域的重 要器件之一。目前集成型的光復(fù)用/解復(fù)用器大多采用光學(xué)微環(huán)諧振腔或者光子晶體等結(jié) 構(gòu)構(gòu)成。然而由于受到衍射極限和彎曲損耗等因素的限制，這種基于傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)的光電 子器件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，阻礙了器件的小型化和大規(guī)模集成化。圖1為采用光學(xué)微環(huán)諧振結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)光復(fù)用/解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖，它是基于 介質(zhì)波導(dǎo)(介質(zhì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)如圖2所示)的，這類結(jié)構(gòu)尺寸一般很大。例如以目前的研究水 平來(lái)說(shuō)，單個(gè)微環(huán)諧振腔的半徑至少需要幾個(gè)微米，要實(shí)現(xiàn)多個(gè)波長(zhǎng)的復(fù)用/解復(fù)用功能， 就需要多個(gè)微環(huán)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，這樣整個(gè)器件的尺寸就很大，結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。近年來(lái)，隨著納米光電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，一種全新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)——表面等離子 體(Surface Plasmon Polaritons, SPPs)波導(dǎo)成為集成光學(xué)領(lǐng)域的新興研究方向。表面 等離子體存在于金屬與介質(zhì)界面附近，其場(chǎng)強(qiáng)在界面處達(dá)到最大，且在界面兩側(cè)均沿垂直 于界面的方向呈指數(shù)衰減。它具有較強(qiáng)的場(chǎng)限制特性，能夠?qū)⒛芰考s束在空間尺寸遠(yuǎn)小于 其自由空間波長(zhǎng)的區(qū)域。特別是金屬/介質(zhì)/金屬的金屬狹縫波導(dǎo)模式，它能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)光 場(chǎng)的亞波長(zhǎng)約束，在納米尺度上控制和限制光場(chǎng)。另外，利用金屬/介質(zhì)界面天然的反射 端面，一些特殊的諧振腔結(jié)構(gòu)可以被很好地被用于構(gòu)造光學(xué)濾波器或者光復(fù)用/解復(fù)用器 件。其中，金屬/介質(zhì)/金屬波導(dǎo)又稱為金屬狹縫波導(dǎo)，金屬狹縫波導(dǎo)是表面等離子體波導(dǎo) 的一種，是由兩塊相隔一定間距的金屬板組成，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖3所示，波導(dǎo)的寬度為W。在 此波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，光場(chǎng)會(huì)被限制在中間的介質(zhì)層中傳輸。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問(wèn)題針對(duì)傳統(tǒng)光復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件尺寸較大等缺陷，本發(fā)明要解決的技 術(shù)問(wèn)題是如何提供一種新型的基于表面等離子體集成的光復(fù)用/解復(fù)用器及其制備方法， 以極大地減小光電子器件的尺寸，并提高其集成度。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于表面等離子體集成的光復(fù)用/解復(fù) 用器，包括金屬狹縫波導(dǎo)，以及在所述金屬狹縫波導(dǎo)中形成的多個(gè)諧振腔和耦合區(qū)，所述金屬狹縫波導(dǎo)包括一條總線波導(dǎo)以及多條分支波導(dǎo)，所有諧振腔通過(guò)一個(gè)耦合區(qū)與所述總線 波導(dǎo)耦合連接，每個(gè)諧振腔還通過(guò)另一耦合區(qū)與一個(gè)分支波導(dǎo)耦合連接。其中，所述耦合區(qū)為采用倏逝耦合方式形成的耦合區(qū)或者采用孔徑耦合方式形成 的耦合區(qū)。其中，所述諧振腔垂直或者平行于總線波導(dǎo)。其中，所述諧振腔為法布里-珀羅諧振腔結(jié)構(gòu)。其中，所有諧振腔位于總線波導(dǎo)的一側(cè)或者分布于總線波導(dǎo)的兩側(cè)。其中，采用倏逝耦合方式形成耦合區(qū)時(shí)，波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合強(qiáng)度由波 導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合距離決定。其中，采用孔徑耦合方式形成耦合區(qū)時(shí)，波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合強(qiáng)度由耦 合區(qū)的耦合孔徑的寬度來(lái)決定。其中，所述諧振腔垂直于總線波導(dǎo)時(shí)，分支波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合位置位 于該諧振腔的端面或側(cè)面；所述諧振腔平行于總線波導(dǎo)時(shí)，分支波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的 耦合位置位于該諧振腔的端面或側(cè)面。其中，相鄰的諧振腔之間的距離大于40nm。本發(fā)明還提供了一種基于表面等離子體集成的光復(fù)用/解復(fù)用器的制備方法，包 括以下步驟Si、在襯底上鍍上一層金屬層；S2、在所述金屬層上刻蝕所述的光復(fù)用/解復(fù)用器。(三)有益效果本發(fā)明采用金屬狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以極大地減小光電子器件的尺寸，并提高其集 成度；通過(guò)諧振腔之間的距離的設(shè)計(jì)可以避免相鄰分支波導(dǎo)的模場(chǎng)間的相互干擾；通過(guò)耦 合區(qū)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以降低對(duì)加工精度要求(孔徑耦合的結(jié)構(gòu)可以降低加工工藝的要求)。


圖1是傳統(tǒng)的光復(fù)用/解復(fù)用器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1的介質(zhì)波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是金屬狹縫波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4、5是本發(fā)明的兩個(gè)光復(fù)用/解復(fù)用器實(shí)施例的俯視圖；圖6是一個(gè)1X6光復(fù)用/解復(fù)用器的透射頻譜圖；圖7是本發(fā)明另一實(shí)施例的俯視圖；圖8是本發(fā)明的方法流程圖；圖9是側(cè)面耦合輸出結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施 例用于說(shuō)明本發(fā)明，但不用來(lái)限制本發(fā)明的范圍。如圖4、5所示，為IXN光復(fù)用/解復(fù)用器結(jié)構(gòu)示意圖。其具有復(fù)用和解復(fù)用的 兩種功能?！?XN”表明是N路的光復(fù)用/解復(fù)用結(jié)構(gòu)，“1”表明該結(jié)構(gòu)中具有一根總線波導(dǎo)，“N”表示有N根分支波導(dǎo)(總線波導(dǎo)和分支波導(dǎo)均由金屬/介質(zhì)/金屬波導(dǎo)中的介質(zhì) 組成)。例如解復(fù)用時(shí)，N個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)光(或者說(shuō)含有N個(gè)波長(zhǎng)信號(hào)的光場(chǎng))都在總線波 導(dǎo)中輸入，然后N個(gè)波長(zhǎng)的信號(hào)光可以分別從這N根分支波導(dǎo)中輸出，故稱為“ 1 XN光復(fù)用 /解復(fù)用器”(也可參照?qǐng)D1)。圖4、5的兩種結(jié)構(gòu)均包括金屬狹縫波導(dǎo)，以及在所述金屬狹縫波導(dǎo)中形成的多個(gè) 諧振腔和耦合區(qū)，所述金屬狹縫波導(dǎo)包括一條總線波導(dǎo)以及多條分支波導(dǎo)，所有諧振腔通 過(guò)一個(gè)耦合區(qū)(圖4中為倏逝耦合區(qū)，圖5中為孔徑耦合區(qū))與所述總線波導(dǎo)耦合連接，每 個(gè)諧振腔還通過(guò)另一耦合區(qū)(圖4中由每個(gè)分支波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的金屬組成，圖5 中由每個(gè)分支波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的介質(zhì)組成)與一個(gè)分支波導(dǎo)耦合連接。諧振腔均垂 直于總線波導(dǎo)，分支波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合位置位于該諧振腔的端面(也可以位于 諧振腔側(cè)面，如圖9所示)。所述諧振腔為法布里-珀羅諧振腔結(jié)構(gòu)。所有諧振腔位于總線 波導(dǎo)的一側(cè)。如圖4、5所示的金屬狹縫波導(dǎo)(即金屬/介質(zhì)/金屬波導(dǎo))中的介質(zhì)為任意 一般介質(zhì)材料(例如空氣)。諧振腔長(zhǎng)度和寬度可以在納米/微米量級(jí)上的任意尺寸。通過(guò)對(duì)諧振腔的長(zhǎng)度或 寬度的合理設(shè)計(jì)(諧振腔的寬度優(yōu)選為0至幾百個(gè)納米之間，長(zhǎng)度為0至幾個(gè)微米之間)可 以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)的光復(fù)用/解復(fù)用功能。相鄰?fù)ǖ赖闹C振腔之間的距離為大于40nm的 任意值，這樣可以避免相鄰分支波導(dǎo)的模場(chǎng)間的相互干擾。一個(gè)輸出端口(分支波導(dǎo))對(duì) 應(yīng)一個(gè)光信號(hào)通道(即圖4、5中的“通道”)。圖4采用倏逝耦合的方式實(shí)現(xiàn)，此時(shí)，波導(dǎo)(總線波導(dǎo)或分支波導(dǎo))與對(duì)應(yīng)諧振腔 之間的耦合強(qiáng)度由波導(dǎo)(相應(yīng)地為總線波導(dǎo)或分支波導(dǎo))與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合距離 決定，耦合距離越大，波導(dǎo)與諧振腔之間的耦合強(qiáng)度越小，各個(gè)通道中透射頻譜帶寬就會(huì)變 窄。例如當(dāng)耦合區(qū)距離進(jìn)一步變大時(shí)，圖6中6條透射譜線的寬度會(huì)變窄。工作原理為 在總線波導(dǎo)中傳播的不同波長(zhǎng)的光場(chǎng)能夠以倏逝波的方式耦合進(jìn)入不同諧振腔中，并在不 同的分支波導(dǎo)中輸出，以此實(shí)現(xiàn)解復(fù)用功能。同理，當(dāng)光場(chǎng)從分支波導(dǎo)輸入，也可以實(shí)現(xiàn)復(fù) 用功能。圖5采用孔徑耦合的方式實(shí)現(xiàn)，此時(shí)波導(dǎo)(總線波導(dǎo)或分支波導(dǎo))與對(duì)應(yīng)諧振腔 之間的耦合強(qiáng)度由耦合區(qū)的耦合孔徑的寬度來(lái)決定，孔徑寬度越小，波導(dǎo)與諧振腔之間的 耦合強(qiáng)度越小，各個(gè)通道中透射頻譜帶寬就會(huì)變窄。工作原理和上面類似，不同之處是不同 波長(zhǎng)的光場(chǎng)是通過(guò)孔徑的方式耦合進(jìn)入諧振腔，并在腔內(nèi)產(chǎn)生諧振?？讖今詈戏绞绞墙饘? 介質(zhì)/金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的一種特別的耦合方式，其無(wú)法在例如圖2所示的傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)中 實(shí)現(xiàn)。上述兩種耦合方式結(jié)構(gòu)的比較倏逝耦合方式由于SPI^s模式電磁場(chǎng)在金屬中的滲透(趨膚)深度小于30nm，故 只有當(dāng)波導(dǎo)和諧振腔之間的耦合距離(圖5中的t)小于30nm時(shí)，才具有較高的耦合強(qiáng)度， 電磁場(chǎng)才能有效的倏逝耦合進(jìn)入諧振腔，這就要求制作工藝中需要較高的加工精度?？讖今詈戏绞今詈蠌?qiáng)度與耦合距離t無(wú)關(guān)，而是通過(guò)改變耦合孔徑的寬度來(lái)調(diào) 節(jié)，不受30nm的滲透(趨膚)深度的限制，故更容易加工。圖6是一個(gè)1X6光復(fù)用/解復(fù)用器實(shí)例的透射頻譜圖，1 6分別為通道1 通 道6。通過(guò)選擇合適的諧振腔結(jié)構(gòu)參數(shù)(例如長(zhǎng)度)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長(zhǎng)的解復(fù)用功能。結(jié)構(gòu)如圖4所示，此時(shí)N = 6，總線波導(dǎo)和分支波導(dǎo)的寬度w = 50nm，諧振腔的寬度Wt = 50nm，耦合距離t = 15nm,圖6中從左到右依次為通道1 通道6的透射譜線，與通道1 通道6對(duì)應(yīng)的6個(gè)諧振腔的長(zhǎng)度分別為250nm、285nm、320nm、355nm、390nm以及425nm。如圖7所示，本發(fā)明還提供了另一種結(jié)構(gòu)的光復(fù)用/解復(fù)用器。其中，諧振腔平行 于總線波導(dǎo)，分布于總線波導(dǎo)的兩側(cè)，分支波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合位置位于該諧振 腔的側(cè)面。如圖8所示，本發(fā)明還提供了一種基于表面等離子體集成的光復(fù)用/解復(fù)用器的 制備方法，包括以下步驟Si、在襯底上鍍上一層金屬層；該襯底為非吸收性材料，例如二氧化硅。S2、在所述金屬層上刻蝕所述的光復(fù)用/解復(fù)用器。由以上實(shí)施例可以看出，本發(fā)明采用金屬/介質(zhì)/金屬的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，它不存在導(dǎo)波 模式(圖1)的截止寬度，故波導(dǎo)寬度可以為納米/微米量級(jí)的任意尺寸，例如，波導(dǎo)的寬度 可以小到幾十納米甚至幾納米，而傳統(tǒng)的介質(zhì)波導(dǎo)(圖2)的尺寸至少為幾百納米甚至微米 量級(jí)，因此本發(fā)明可以極大地減小光電子器件的尺寸，并提高其集成度，可以應(yīng)用于光子集 成、光通信等領(lǐng)域。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于表面等離子體集成的光復(fù)用/解復(fù)用器，其特征在于，包括金屬狹縫波導(dǎo)， 以及在所述金屬狹縫波導(dǎo)中形成的多個(gè)諧振腔和耦合區(qū)，所述金屬狹縫波導(dǎo)包括一條總線 波導(dǎo)以及多條分支波導(dǎo)，所有諧振腔通過(guò)一個(gè)耦合區(qū)與所述總線波導(dǎo)耦合連接，每個(gè)諧振 腔還通過(guò)另一耦合區(qū)與一個(gè)分支波導(dǎo)耦合連接。
2.如權(quán)利要求1所述的光復(fù)用/解復(fù)用器，其特征在于，所述耦合區(qū)為采用倏逝耦合方 式形成的耦合區(qū)或者采用孔徑耦合方式形成的耦合區(qū)。
3.如權(quán)利要求1所述的光復(fù)用/解復(fù)用器，其特征在于，所述諧振腔垂直或者平行于總 線波導(dǎo)。
4.如權(quán)利要求3所述的光復(fù)用/解復(fù)用器，其特征在于，所述諧振腔為法布里-珀羅諧 振腔結(jié)構(gòu)。
5.如權(quán)利要求1所述的光復(fù)用/解復(fù)用器，其特征在于，所有諧振腔位于總線波導(dǎo)的一 側(cè)或者分布于總線波導(dǎo)的兩側(cè)。
6.如權(quán)利要求2所述的光復(fù)用/解復(fù)用器，其特征在于，采用倏逝耦合方式形成耦合區(qū) 時(shí)，波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合強(qiáng)度由波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合距離決定。
7.如權(quán)利要求2所述的光復(fù)用/解復(fù)用器，其特征在于，采用孔徑耦合方式形成耦合區(qū) 時(shí)，波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合強(qiáng)度由耦合區(qū)的耦合孔徑的寬度來(lái)決定。
8.如權(quán)利要求3所述的光復(fù)用/解復(fù)用器，其特征在于，所述諧振腔垂直于總線波導(dǎo) 時(shí)，分支波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合位置位于該諧振腔的端面或側(cè)面；所述諧振腔平行 于總線波導(dǎo)時(shí)，分支波導(dǎo)與對(duì)應(yīng)諧振腔之間的耦合位置位于該諧振腔的端面或側(cè)面。
9.如權(quán)利要求1所述的光復(fù)用/解復(fù)用器，其特征在于，相鄰的諧振腔之間的距離大于 40nmo
10.一種基于表面等離子體集成的光復(fù)用/解復(fù)用器的制備方法，其特征在于，包括以 下步驟s1、在襯底上鍍上一層金屬層；s2、在所述金屬層上刻蝕權(quán)利要求1 9任一項(xiàng)所述的光復(fù)用/解復(fù)用器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于表面等離子體集成的光復(fù)用/解復(fù)用器，屬于集成光電子技術(shù)領(lǐng)域。包括金屬狹縫波導(dǎo)，以及在所述金屬狹縫波導(dǎo)中形成的多個(gè)諧振腔和耦合區(qū)，所述金屬狹縫波導(dǎo)包括一條總線波導(dǎo)以及多條分支波導(dǎo)，所有諧振腔通過(guò)一個(gè)耦合區(qū)與所述總線波導(dǎo)耦合連接，每個(gè)諧振腔還通過(guò)另一耦合區(qū)與一個(gè)分支波導(dǎo)耦合連接。本發(fā)明還提供了一種上述產(chǎn)品的制備方法。本發(fā)明可以極大地減小光電子器件的尺寸，并提高其集成度，可以應(yīng)用于光子集成、光通信等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G02B6/28GK102141651SQ20111008610
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2011年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月7日
發(fā)明者周治平, 易華祥, 胡飛飛 申請(qǐng)人:北京大學(xué)