[发明专利]一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计

说明书

本发明公开了一种实现全光二极管功能的结构设计。更具体地，是一种基于金属‑介质‑金属（MIM）波导的表面等离极化激元全光二极管结构。其包括正向入射波导/反向出射波导、增益谐振腔、损耗谐振腔以及正向出射波导/反向入射波导。两环形谐振腔内填充能够对表面等离极化激元（SPPs）实现增益和耗散的电介质材料。波导与增益环形谐振腔、损耗环形谐振腔之间有一定宽度的间隔用于SPPs的耦合。本发明是在金属银薄膜上设计一个波导环形腔耦合结构的基于SPPs全光二极管器件，意在突破传统电子二极管能耗高、速度低等瓶颈问题。同时通过设计不同结构尺寸或者在谐振腔内填充不同介电常数的电介质，可以实现任意波长光波的单向导通。

技术领域

本发明涉及半导体器件，也属于光子集成领域。具体地说是涉及一种利用金属表面等离激元光波导耦合谐振腔实现的全光二极管。

背景技术

根据摩尔定律，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。该定律揭示了信息技术进步的速度。然而集成电路在经历了快速发展的半个世纪后，这一速度逐渐变慢。其主要原因在于构成集成电路元器件的空间尺度均已接近其理论极限。电子元器件尺寸的难以减小导致了高功耗，窄带宽和低运算速度，已经不能满足未来大规模数据处理的要求。光子集成技术的发展为突破电子集成的技术瓶颈提供了新的思路，光在信息传播速度、带宽和容量等关键性能方面具有无与伦比的优势。其中，表面等离激元（SPPs）因具有更小的模式尺寸、模式面积，故其非常有希望作为高密度光子集成回路的信息载体，实现纳米量级的光操纵、传输、处理及控制。目前，表面等离激元主要处在理论研究阶段，其在表面增强拉曼散射、纳米光学成像、高灵敏传感等方面均有应用。在光波导与光信息通信处理方面，研究人员设计了实现各种功能的光子学器件，如：滤波器、整流器、光开关等，而基于表面等离激元光学二极管的研究还较少。

将各种光子器件集成到芯片上形成光子回路，是未来通信技术发展的必然趋势。全光二极管是光通讯、光互连网络、全光计算机芯片等进行快速光信息处理的关键器件。因此，在芯片上实现低功耗、高对比度、小体积的全光表面等离激元二极管对下一代通信技术的发展具有重要的意义。

发明内容

本发明提出一种基于表面等离极化激元波导全光二极管结构的结构设计，意在解决芯片上光学非互易效应，实现光学信号在芯片上的非互易性传输。通过改变结构尺寸或谐振腔内电介质，可以实现任意波长光的单向导通操纵，且结构简单、尺寸小、易于高密度集成。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计，包括金属银薄膜；在金属银薄膜上表面延一条直线的两端各设计有一个开口孔形成一对MIM波导；在位于两个MIM波导之间的部分开有一对中心均位于该直线上的环形谐振腔；其中一个MIM波导与邻近的环形谐振腔之间设有用于SPPs耦合的第一金属间隔；两个环形谐振腔之间设有用于SPPs耦合的第二金属间隔；另一个MIM波导与相邻的环形谐振腔之间设有用于SPPs耦合的第三金属间隔。

其中一个MIM波导作为该结构的正向入射波导/反向出射波导，另一个MIM波导作为该结构的正向出射波导/反向入射波导。

靠近正向入射波导/反向出射波导的环形谐振腔中填充有增益特性的电介质材料；侧壁为贵金属材料银，由于银的介电常数虚部为负数，故其产生欧姆损耗；其增益一部分抵消侧壁贵金属的欧姆损耗，另一部分产生净增益，因而该环形谐振腔成为增益谐振腔；靠近正向出射波导/反向入射波导的环形谐振腔内的电介质材料为空气；侧壁为贵金属材料银，由于银的介电常数虚部为负数，故其产生欧姆损耗成为损耗谐振腔。