本發(fā)明涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器。

背景技術(shù)：

目前，光纖跟硅基光子器件的耦合主要采用端面耦合方式進(jìn)行耦合。所謂的端面耦合是直接耦合的一種，就是把平端光纖與未處理的硅基光子器件端面直接對(duì)接，進(jìn)行能量的傳遞。但是光纖跟硅基光子器件的模場(chǎng)面積不匹配，特別是硅基器件，因?yàn)楣璞旧淼恼凵渎适?.5左右，而組成光纖的材料的折射率一般為1.4，從光纖射出的光未經(jīng)過(guò)任何處理直接耦合進(jìn)波導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生巨大的模場(chǎng)失配損耗，耦合效率極低。而耦合效率的高低直接決定了一個(gè)光學(xué)器件的性能。

為了提高耦合效率，耦合器這一概念被提出來(lái)，耦合器通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的特性可調(diào)整光場(chǎng)的模場(chǎng)、提高模式匹配程度，以達(dá)到提高耦合效率的目的。耦合器包括三大類(lèi)，楔形耦合器、透鏡耦合器和光柵耦合器。但是由于光存在衍射極限，而這些耦合器都無(wú)法對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行極限壓縮，從而使得通過(guò)這些耦合器的光突破衍射極限，高效耦合進(jìn)納米光子器件，故而它只能在微米量級(jí)的光子器件的耦合中發(fā)揮高效耦合的作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器。這種耦合器能使入射光突破衍射極限，高效耦合進(jìn)硅基光子器件中，能提高光纖與硅基光子器件之間的耦合效率，而且此種長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于工藝要求低，易于加工，成本較低。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：

一種長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器，包括順序疊接的第一SiO₂層、Ag層和第二SiO₂層，所述第一SiO₂層和第二SiO₂層對(duì)稱(chēng)設(shè)置在Ag層的兩面。

所述第一SiO₂層和第二SiO₂層的結(jié)構(gòu)、形狀完全一致。

所述SiO₂層為直角梯形體，直角梯形體的兩個(gè)端面為耦合端面，兩個(gè)耦合端面的面積不等，面積大的第一耦合端面與光纖耦合端面A重合，面積小的第二耦合端面與波導(dǎo)耦合端面B重合，第一耦合端面、第二耦合端面為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度為短邊長(zhǎng)度的2倍。

所述直角梯形體與Ag層的接觸面垂直于第一耦合端面和第二耦合端面。

所述直角梯形體的4條棱邊呈曲線(xiàn)形狀，制作曲線(xiàn)的參數(shù)按冪函數(shù)的函數(shù)方程獲取，這樣可以有效地避免光的溢散，降低光在長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器中的傳輸損耗。

第一SiO₂層的作用是傳輸光、調(diào)整光的模場(chǎng)面積并對(duì)進(jìn)行壓縮。

光在Ag層表面?zhèn)鬏敃r(shí)，光和Ag層表面自由電子的相互作用會(huì)引起一種電磁波模式，這種電磁波模式就是表面等離子激(Surface Plasmon Polariton,簡(jiǎn)稱(chēng)SPP)。表面等離子激元的作用增強(qiáng)長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器對(duì)光的束縛作用，使光不會(huì)在長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行壓縮時(shí)造成大量的傳輸損耗，高效的耦合進(jìn)硅基光子器件，從而提高光纖跟硅基光子器件的耦合效率。

第二SiO₂層與第一SiO₂層的作用相同，用于光的傳輸和模場(chǎng)面積的調(diào)整，同時(shí)它也與第一SiO₂層構(gòu)成一種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，調(diào)整光場(chǎng)的形狀，當(dāng)長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器與硅基光子器件耦合時(shí)，長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器的光場(chǎng)與器件的光場(chǎng)的重疊程度提高，以達(dá)到高效耦合的目的。

這種波導(dǎo)耦合器利用表面等離子激元的亞波長(zhǎng)束縛特性，使入射光突破衍射極限，能夠高效耦合進(jìn)硅基光子器件中，并且當(dāng)入射光通過(guò)長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器時(shí)，對(duì)光進(jìn)行壓縮，調(diào)整其模場(chǎng)面積，使得其模場(chǎng)能夠跟硅基光子器件的模場(chǎng)進(jìn)行匹配，從而提高耦合效率。

耦合效率η與模場(chǎng)匹配的關(guān)系可以用兩器件模場(chǎng)分布的重疊積分表示

E_w、E_f分別表示兩耦合器件的模場(chǎng)面積，E_w為入射光的模場(chǎng)面積，E_f為出射光的模場(chǎng)面積。為了實(shí)現(xiàn)光纖跟硅基光子器件的最佳耦合，必須保證它們的模場(chǎng)有最大的重疊，也就是使E_w和E_f盡量相等。

這種耦合器能使入射光突破衍射極限，高效耦合進(jìn)硅基光子器件，提高了光纖與硅基光子器件之間的耦合效率，而且此種長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)于工藝要求低，易于加工，成本較低。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1的爆炸圖；

圖3為實(shí)施例端面耦合方式的示意圖。

圖中，1.光纖 2.波導(dǎo)耦合器 3.硅基光子器件 4.第一SiO2層 5.Ag層 6.第二SiO₂層 7.接觸面 8.第一耦合端面 9.第二耦合端面。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步的闡述，但不是對(duì)本發(fā)明的限定。

實(shí)施例：

參照?qǐng)D1、圖2、圖3，一種長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器，包括順序疊接的第一SiO₂層4、Ag層5和第二SiO₂層6，所述第一SiO₂層4和第二SiO₂層6對(duì)稱(chēng)設(shè)置在Ag層5的兩面。

所述第一SiO₂層4和第二SiO₂層6的結(jié)構(gòu)、形狀完全一致。

所述SiO2層4為直角梯形體，直角梯形體的兩個(gè)端面為耦合端面，兩個(gè)耦合端面的面積不等，面積大的第一耦合端面8與光纖耦合端面A耦合，面積小的第二耦合端面9與波導(dǎo)耦合端面B重合，第一耦合端面8、第二耦合端面9為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)方形的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度為短邊長(zhǎng)度的2倍。

所述直角梯形體與Ag層5的接觸面7垂直于第一耦合端面8和第二耦合端面9。

所述直角梯形體的4條棱邊呈曲線(xiàn)形狀，制作曲線(xiàn)的參數(shù)按冪函數(shù)的函數(shù)方程獲取。

第一SiO₂層4的作用是傳輸光、調(diào)整光的模場(chǎng)面積并對(duì)進(jìn)行壓縮。

光在Ag層5表面?zhèn)鬏敃r(shí)，光和Ag層5表面自由電子的相互作用會(huì)引起一種電磁波模式，這種電磁波模式就是表面等離子激。表面等離子激元的作用增強(qiáng)長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器對(duì)光的束縛作用，使光不會(huì)在長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行壓縮時(shí)造成大量的傳輸損耗，高效的耦合進(jìn)硅基光子器件，從而提高光纖跟硅基光子器件的耦合效率。

第二SiO₂層6與第一SiO₂層4的作用相同，用于光的傳輸和模場(chǎng)面積的調(diào)整，同時(shí)它也與第一SiO₂層4構(gòu)成一種對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，調(diào)整光場(chǎng)的形狀，當(dāng)長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器與硅基光子器件耦合時(shí)，長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器的光場(chǎng)與器件的光場(chǎng)的重疊程度提高，以達(dá)到高效耦合的目的。

具體地：

如圖3所示，長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器2與光纖1進(jìn)行端面耦合，將光纖1射出的光耦合進(jìn)長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器2中，在長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器2中對(duì)光的模場(chǎng)面積進(jìn)行調(diào)整；長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器2與硅基光子器件3進(jìn)行端面耦合，再將光耦合進(jìn)平板波導(dǎo)中，整個(gè)過(guò)程中，長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器2起到調(diào)整入射光的模場(chǎng)面積的作用，使得光能高效耦合進(jìn)平板波導(dǎo)中。

耦合效率η與模場(chǎng)匹配的關(guān)系可以用兩器件模場(chǎng)分布的重疊積分表示

E_w、E_f分別表示兩耦合器件的模場(chǎng)面積，E_w為入射光的模場(chǎng)面積，E_f為出射光的模場(chǎng)面積，為了實(shí)現(xiàn)光纖跟硅基光子器件的最佳耦合，必須保證它們的模場(chǎng)有最大的重疊，也就是使E_w和E_f盡量相等。

本實(shí)施例的COMSOL^TM仿真計(jì)算：在光纖1與長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器2耦合時(shí)，光纖1的模場(chǎng)面積為127.08um²，而長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器2的第一耦合端面8的模場(chǎng)面積為126.73um²；在長(zhǎng)程表面等離子激元波導(dǎo)耦合器2的第二耦合端面9與硅基光子器件3端面耦合時(shí)，硅基光子器件3的第一耦合端面8的模場(chǎng)面積為1.82um²，硅基光子器件3端面的模場(chǎng)面積為0.88um²，故而其模場(chǎng)匹配效率較高，可以大大減小模場(chǎng)失配損耗，以達(dá)到提高光纖與硅基光子器件之間的耦合效率的目的。