[发明专利]基于表面等离子体集成的光复用/解复用器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成光电子技术领域，尤其涉及一种基于表面等离子体集成的光复用/解复用器及其制备方法。

背景技术

众所周知，集成电路中信息的运载和处理能力遭遇不可克服的瓶颈，各部分之间的数据交换的速度面临相当大的限制，而采用光信号传输数据可以获得千倍的带宽，故而集成光子学给出了解决这一难题的一个有效途径。集成光学器件包括光源、光波导、光子晶体、光开关、光信号滤波器、光复用/解复用器、光调制器和光探测器等。其中，光复用/解复用器实现将多个波长信号光进行组合或者分解的功能，是光通信、光信号处理领域的重要器件之一。目前集成型的光复用/解复用器大多采用光学微环谐振腔或者光子晶体等结构构成。然而由于受到衍射极限和弯曲损耗等因素的限制，这种基于传统介质波导的光电子器件结构复杂、尺寸较大，阻碍了器件的小型化和大规模集成化。

图1为采用光学微环谐振结构的传统光复用/解复用器的结构示意图，它是基于介质波导(介质波导的结构如图2所示)的，这类结构尺寸一般很大。例如以目前的研究水平来说，单个微环谐振腔的半径至少需要几个微米，要实现多个波长的复用/解复用功能，就需要多个微环进行级联，这样整个器件的尺寸就很大，结构也比较复杂。

近年来，随着纳米光电子技术的不断进步，一种全新的波导结构——表面等离子体(Surface Plasmon Polaritons，SPPs)波导成为集成光学领域的新兴研究方向。表面等离子体存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数衰减。它具有较强的场限制特性，能够将能量约束在空间尺寸远小于其自由空间波长的区域。特别是金属/介质/金属的金属狭缝波导模式，它能够实现对光场的亚波长约束，在纳米尺度上控制和限制光场。另外，利用金属/介质界面天然的反射端面，一些特殊的谐振腔结构可以被很好地被用于构造光学滤波器或者光复用/解复用器件。其中，金属/介质/金属波导又称为金属狭缝波导，金属狭缝波导是表面等离子体波导的一种，是由两块相隔一定间距的金属板组成，该波导结构如图3所示，波导的宽度为w。在此波导结构中，光场会被限制在中间的介质层中传输。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对传统光复用/解复用器结构复杂，器件尺寸较大等缺陷，本发明要解决的技术问题是如何提供一种新型的基于表面等离子体集成的光复用/解复用器及其制备方法，以极大地减小光电子器件的尺寸，并提高其集成度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于表面等离子体集成的光复用/解复用器，包括金属狭缝波导，以及在所述金属狭缝波导中形成的多个谐振腔和耦合区，所述金属狭缝波导包括一条总线波导以及多条分支波导，所有谐振腔通过一个耦合区与所述总线波导耦合连接，每个谐振腔还通过另一耦合区与一个分支波导耦合连接。

其中，所述耦合区为采用倏逝耦合方式形成的耦合区或者采用孔径耦合方式形成的耦合区。

其中，所述谐振腔垂直或者平行于总线波导。

其中，所述谐振腔为法布里-珀罗谐振腔结构。

其中，所有谐振腔位于总线波导的一侧或者分布于总线波导的两侧。

其中，采用倏逝耦合方式形成耦合区时，波导与对应谐振腔之间的耦合强度由波导与对应谐振腔之间的耦合距离决定。

其中，采用孔径耦合方式形成耦合区时，波导与对应谐振腔之间的耦合强度由耦合区的耦合孔径的宽度来决定。

其中，所述谐振腔垂直于总线波导时，分支波导与对应谐振腔之间的耦合位置位于该谐振腔的端面或侧面；所述谐振腔平行于总线波导时，分支波导与对应谐振腔之间的耦合位置位于该谐振腔的端面或侧面。

其中，相邻的谐振腔之间的距离大于40nm。

本发明还提供了一种基于表面等离子体集成的光复用/解复用器的制备方法，包括以下步骤：

S1、在衬底上镀上一层金属层；

S2、在所述金属层上刻蚀所述的光复用/解复用器。

(三)有益效果

本发明采用金属狭缝波导结构，可以极大地减小光电子器件的尺寸，并提高其集成度；通过谐振腔之间的距离的设计可以避免相邻分支波导的模场间的相互干扰；通过耦合区结构的设计，可以降低对加工精度要求(孔径耦合的结构可以降低加工工艺的要求)。

附图说明

图1是传统的光复用/解复用器的结构示意图；

图2是图1的介质波导的结构示意图；

图3是金属狭缝波导的结构示意图；

图4、5是本发明的两个光复用/解复用器实施例的俯视图；