[发明专利]一种全光二极管

说明书

本发明公开一种全光二极管，包括金属‑介质‑金属波导结构，波导内包括DBR‑金属‑均匀介质结构，DBR由高折射率介质A和低折射率介质B周期性排列构成，其周期数为N，介质A与介质B的折射率分别为nsubgt;A/subgt;、nsubgt;B/subgt;，厚度分别为dsubgt;A/subgt;、dsubgt;B/subgt;，满足条件其中ωsubgt;0/subgt;为Bragg频率；DBR‑金属‑均匀介质结构中的金属厚度小于全光二极管工作波长λ的趋肤深度；DBR‑金属‑均匀介质结构中的均匀介质折射率为nsubgt;C/subgt;，厚度为dsubgt;C/subgt;，对于全光二极管器件的工作波长λ，满足F‑P共振条件nsubgt;C/subgt;dsubgt;C/subgt;＝jλ/2，其中j为整数。本发明具有结构简单、尺寸小、且工作波长可调等特点，在光子集成、全光网络等领域有着重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域及集成光学领域，尤其涉及一种基于光学Tamm态的全光二极管。

背景技术

全光二极管是未来集成光子回路中不可缺少的元件之一，与电子二极管类似，它允许光波仅在一个方向传播。目前已经提出的纳米级全光二极管的方案中，主要使用的结构有：非线性光子晶体和光子带隙微腔、具有各向异性缺陷层的手性光子晶体、具有Kerr非线性缺陷层的左旋周期结构、低对称磁性光子晶体、周期性极化铌酸锂波导、光子晶体光纤。由于常规材料相对较小的非线性光学敏感性和磁光系数，所以一般要求工作阈值非常高，通常在几千兆瓦每立方厘米。此外，它们实现的透射率对比度非常低，通常小于0.9。例如Xue等人设计了一种基于一维光子晶体的、含金属的复合异质结构的全光二极管器件，其正反透射比为0.8148，正向透射率为42％。而Hwang和Song指出通过结合光子带隙效应和不对称液晶光子带隙异质结构的独特界面特性，不用调节光学非线性就能实现低功率全光二极管，但是它的正向透过率也并不高，约为40％。一个高效率的全光二极管不仅需要较大的正反透射比，也需要较高的正向透射率。而基于光学Tamm态(Optic Tamm states,OTS)的全光二极管可以实现具有高正反透射比和单向透射率的全光二极管器件。

OTS是由A.V.Kavokin于2005年提出的一种新型的无耗散局域界面模式，目前能够观测到OTS的结构主要有两种：一维光子晶体异质结结构和金属-DBR结构。这种新型的光学表面态是由电子表面态类比而来，相对于表面等离子体激元(SPPs)，OTS在激发机制和光学特性上具有诸多优势：OTS色散曲线位于光锥内侧，入射光能够直接激发OTS，不需要特定结构；TE和TM偏振光都能够有效激发OTS，没有偏振依赖性；OTS极化激元线宽极窄，比SPPs的线宽小接近一个数量级，具有更强的局域场增强效应；OTS形成于光子晶体界面上，损耗更小，因此，OTS为新型微纳光子器件的设计开辟了新途径。

发明内容

为了解决上述问题，基于光学Tamm态的局域场增强特性，提出一种具有高正反透射比和单向透射率的全光二极管器件。

一种全光二极管，包括MIM(Metal Insulator Metal，金属-介质-金属)波导结构，所述波导内包括DBR(Distributed Bragg Reflection，分布式布拉格反射镜)-金属-均匀介质结构，所述DBR由高折射率介质A和低折射率介质B周期性排列构成，其周期数为N，所述介质A与所述介质B的折射率分别为n_A、n_B，厚度分别为d_A、d_B，满足条件其中ω₀为Bragg频率；所述DBR-金属-均匀介质结构中的金属厚度小于所述全光二极管工作波长λ的趋肤深度；所述DBR-金属-均匀介质结构中的均匀介质折射率为n_C，厚度为d_C，对于全光二极管器件的工作波长λ，满足F-P共振条件n_Cd_C＝jλ/2，其中j为整数。

优选的，所述高折射率介质A为GaAs或TiO₂。