本實用新型涉及納米光子學(xué)領(lǐng)域及集成光學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光學(xué)Tamm態(tài)的全光二極管。

背景技術(shù)：

全光二極管是未來集成光子回路中不可缺少的元件之一，與電子二極管類似，它允許光波僅在一個方向傳播。目前已經(jīng)提出的納米級全光二極管的方案中，主要使用的結(jié)構(gòu)有：非線性光子晶體和光子帶隙微腔、具有各向異性缺陷層的手性光子晶體、具有Kerr非線性缺陷層的左旋周期結(jié)構(gòu)、低對稱磁性光子晶體、周期性極化鈮酸鋰波導(dǎo)、光子晶體光纖。由于常規(guī)材料相對較小的非線性光學(xué)敏感性和磁光系數(shù)，所以一般要求工作閾值非常高，通常在幾千兆瓦每立方厘米。此外，它們實現(xiàn)的透射率對比度非常低，通常小于0.9。例如Xue等人設(shè)計了一種基于一維光子晶體的、含金屬的復(fù)合異質(zhì)結(jié)構(gòu)的全光二極管器件，其正反透射比為0.8148，正向透射率為42％。而Hwang和Song指出通過結(jié)合光子帶隙效應(yīng)和不對稱液晶光子帶隙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的獨特界面特性，不用調(diào)節(jié)光學(xué)非線性就能實現(xiàn)低功率全光二極管，但是它的正向透過率也并不高，約為40％。一個高效率的全光二極管不僅需要較大的正反透射比，也需要較高的正向透射率。而基于光學(xué)Tamm態(tài)(Optic Tamm states,OTS)的全光二極管可以實現(xiàn)具有高正反透射比和單向透射率的全光二極管器件。

OTS是由A.V.Kavokin于2005年提出的一種新型的無耗散局域界面模式，目前能夠觀測到OTS的結(jié)構(gòu)主要有兩種：一維光子晶體異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)和金屬-DBR結(jié)構(gòu)。這種新型的光學(xué)表面態(tài)是由電子表面態(tài)類比而來，相對于表面等離子體激元(SPPs)，OTS在激發(fā)機(jī)制和光學(xué)特性上具有諸多優(yōu)勢：OTS色散曲線位于光錐內(nèi)側(cè)，入射光能夠直接激發(fā)OTS，不需要特定結(jié)構(gòu)；TE和TM偏振光都能夠有效激發(fā)OTS，沒有偏振依賴性；OTS極化激元線寬極窄，比SPPs的線寬小接近一個數(shù)量級，具有更強(qiáng)的局域場增強(qiáng)效應(yīng)；OTS形成于光子晶體界面上，損耗更小，因此，OTS為新型微納光子器件的設(shè)計開辟了新途徑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，基于光學(xué)Tamm態(tài)的局域場增強(qiáng)特性，提出一種具有高正反透射比和單向透射率的全光二極管器件。

一種全光二極管，包括MIM(Metal Insulator Metal，金屬-介質(zhì)-金屬)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述波導(dǎo)內(nèi)包括DBR(Distributed Bragg Reflection，分布式布拉格反射鏡)-金屬-均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)，所述DBR由高折射率介質(zhì)A和低折射率介質(zhì)B周期性排列構(gòu)成，其周期數(shù)為N，所述介質(zhì)A與所述介質(zhì)B的折射率分別為n_A、n_B，厚度分別為d_A、d_B，滿足條件其中ω₀為Bragg頻率；所述DBR-金屬-均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的金屬厚度小于所述全光二極管工作波長λ的趨膚深度；所述DBR-金屬-均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的均勻介質(zhì)折射率為n_C，厚度為d_C，對于全光二極管器件的工作波長λ，滿足F-P共振條件n_Cd_C＝j(luò)λ/2，其中j為整數(shù)。

優(yōu)選的，所述高折射率介質(zhì)A為GaAs或TiO₂。

優(yōu)選的，所述高折射率介質(zhì)B為Al₂O₃或SiO₂。

優(yōu)選的，所述金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的金屬與所述DBR-金屬-均勻介質(zhì)中的金屬相同，均為Ag。

優(yōu)選的，所述DBR的周期數(shù)N的范圍是5～10。

更優(yōu)選的，所述DBR的周期數(shù)N為7。

本實用新型是一種全光二極管器件，基于OTS的局域場增強(qiáng)效應(yīng)，利用OTS和F-P腔模的相互耦合作用實現(xiàn)光的單向透射。TM偏振光正向(由DBR側(cè))入射時，MIM波導(dǎo)內(nèi)的等離子體激元(SPPs)模式得到有效激發(fā)，SPPs沿著波導(dǎo)傳輸，到達(dá)金屬-DBR界面，當(dāng)金屬與DBR之間的虛相位及虛阻抗?jié)M足匹配條件時，可以進(jìn)一步在金屬與DBR界面處激發(fā)出OTS，如果金屬厚度較薄(小于工作波長的趨膚深度)，OTS可以透過金屬，在金屬另一側(cè)的均勻介質(zhì)中形成F-P共振，并透射出去；TM偏振光反向(由均勻介質(zhì)側(cè))入射時，雖然也能激發(fā)MIM波導(dǎo)內(nèi)的SPPs和金屬與DBR界面處的OTS，但是由于入射光波長位于DBR禁帶中，不能透射，從而實現(xiàn)全光二極管的單向?qū)üδ?。本實用新型的全光二極管器件其正反透射比可達(dá)0.982，正向透射率可達(dá)87％。本實用新型的全光二極管器件具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、且工作波長可調(diào)等特點，在光子集成、全光網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1為本實用新型一實施例全光二極管器件的剖面視圖；

圖2為TM偏振光正向(由DBR側(cè))入射時，全光二極管器件中的場強(qiáng)分布圖；

圖3為TM偏振光反向(由均勻介質(zhì)側(cè))入射時，全光二極管器件中的場強(qiáng)分布圖；

圖4為全光二極管器件正向和反向入射時的透射率隨入射波長的變化關(guān)系，即透射譜圖；其中，實線為正向入射時的透射譜，虛線為反向入射時的透射譜

附圖標(biāo)記說明：

1—MIM波導(dǎo)、2—介質(zhì)B、3—介質(zhì)A、4—金屬層、5—介質(zhì)C。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。

如圖1所示為一種全光二極管器件的剖面視圖，包括金屬-介質(zhì)-金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)MIM和波導(dǎo)內(nèi)的分布式布拉格反射鏡(DBR)-金屬-均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)。MIM波導(dǎo)1和波導(dǎo)內(nèi)的DBR-金屬-均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)的尺寸與入射光波長具有相同量級，但小于入射光波長。構(gòu)成MIM波導(dǎo)1的金屬和DBR-金屬-均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的金屬可以相同，也可以不同，通常采用貴金屬Ag、Au等。在本實施例中，MIM等離子體波導(dǎo)寬度W＝80nm，結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)為空氣，金屬為Ag，其介電常數(shù)參考Drude模型：其中ε_∞＝3.7為帶間躍遷對介電常數(shù)的貢獻(xiàn)，ω_p＝9.1eV為等離子體共振頻率，γ＝0.018eV為電子碰撞頻率，ω為真空中的入射光頻率。

DBR-金屬-均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的DBR，由高折射率介質(zhì)A3和低折射率介質(zhì)B2周期性排列組成，周期數(shù)為7。本實施例中，介質(zhì)A3為GaAs，介質(zhì)B2為Al₂O₃,折射率分別為n_A＝3.56，n_B＝1.7，厚度分別為d_A＝68nm，d_B＝94nm；DBR-金屬-均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的金屬為Ag，其介電常數(shù)同樣參考Drude模型，其厚度小于入射光波長的趨膚深度，取為d_m＝10nm；DBR-金屬-均勻介質(zhì)結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)C5也為GaAs，厚度d_C＝143nm，對于全光二極管器件的工作波長需滿足F-P腔共振條件。通過調(diào)節(jié)全光二極管器件中介質(zhì)A3、介質(zhì)B2、介質(zhì)C5的材料和厚度，DBR的周期數(shù)、以及波導(dǎo)中金屬層的厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，可靈活調(diào)節(jié)全光二極管器件的工作波長，通常，DBR的周期數(shù)N為5～10；介質(zhì)A3和介質(zhì)B2滿足條件其中ω₀為Bragg頻率。本實施例中全光二極管器件的工作波長為1310nm。

圖2所示為TM偏振光正向(由DBR側(cè))入射時，全光二極管器件中的場強(qiáng)分布。TM偏振光正向入射時，MIM波導(dǎo)內(nèi)的SPPs模式得到有效激發(fā)，SPPs沿著波導(dǎo)傳輸，到達(dá)金屬-DBR界面，進(jìn)一步在金屬與DBR界面處激發(fā)出OTS，由于金屬厚度較薄(小于工作波長的趨膚深度)，OTS可以透過金屬，在金屬另一側(cè)的均勻介質(zhì)中形成F-P共振，并透射出去。

圖3TM偏振光反向(由均勻介質(zhì)側(cè))入射時，全光二極管器件中的場強(qiáng)分布。TM偏振光反向入射時，雖然也能激發(fā)MIM波導(dǎo)內(nèi)的SPPs和金屬與DBR界面處的OTS，但是由于入射光波長位于DBR禁帶中，不能透射。

圖4全光二極管器件正向和反向入射時的透射率隨入射波長的變化關(guān)系，即透射譜。其中，實線為正向入射時的透射譜，在工作波長1310nm處有一透射峰，其透射率達(dá)87％；虛線為反向入射時的透射譜，由于工作波長1310nm位于DBR的禁帶中，其透射率幾乎為0。定義全光二極管器件的正反透射比(T₊-T_-)/(T₊+T_-)，T₊表示正向透射率，T_表示反向透射率，計算可得，全光二極管器件的正反透射比為0.982。

本實用新型方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述實施方式所公開的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。