[发明专利]一种TM、TE模式禁带可调的混合等离激元波导布拉格光栅及其设计方法

说明书

本发明揭示了一种TM、TE模式禁带可调的混合等离激元波导布拉格光栅及其设计方法，该混合等离激元波导布拉格光栅由两种混合等离激元波导结构交替排列构成，两种混合等离激元波导结构均在SiO₂基底上方居中放置宽度为w的高折射率材料Si，于SiO₂基底上方两侧通过支撑层ZnO层架起无限宽金属Ag层，在支撑层ZnO层与金属层Ag层中间填充一过渡层Si₃N₄，两种混合等离激元波导结构的宽度w不同。该混合等离激元波导布拉格光栅结构简单，结构集成度高且容易制备，可以根据所需实现的偏振效果选定特定的高折射率介质层的宽度，并适当调整光栅单元周期和周期数，可以实现对指定波段内的通频带的动态选择。

技术领域

本发明涉及一种TM、TE模式禁带可调的混合等离激元波导布拉格光栅及其设计方法，可用于光通信、集成光学等技术领域。

背景技术

近年来人们发展了多种纳米光波导结构来满足集成光子器件领域的高集成度要求，如光子晶体波导、等离激元波导等。其中，表面等离激元波导因其突破衍射极限的尺度和光电集成的材料特性被广泛关注。然而金属带来的损耗导致波导模式的传播距离很小，限制了表面等离激元波导及波导型器件的应用。因此能有效降低损耗和增大了传输距离的混合等离激元波导结构被提出。混合等离激元波导(hybrid plasmonic waveguides,HPWs)的关键点就是在金属和高折射率介质间引入了低折射率间隙，使得波导结构能够在介质波导的低损耗和表面等离激元波导的模式约束能力之间获得较好的折中。正是基于这个原因，各种基于HPWs的集成光子器件被设计出来，例如表面等离激元纳米透镜、高效的光学调制器、偏振光束器，等等。

其中，作为波长依赖的光子器件布拉格光栅，结合HPWs结构以杰出的滤波特性和低损耗特性吸引了很多学者的研究。Xiao Jing等人设计了一种基于HPSW的超紧凑宽带布拉格光栅(Xiao J,Liu J,Zheng Z,et al.Design and analysis of a nanostructuregrating based on a hybrid plasmonic slot waveguide[J].Journal of Optics,2011,13(10):105001.)，该布拉格光栅可以在1550nm的中心波长处有75％的透过率且有效模式面积优越，在高集成度的光电子学方向有着广泛的应用前景。重要的是，一个具有高集成度、高利用率特点的光器件，往往在某一结构上进行微调即可实现多个功能，所以研究如何在原有的带通滤波器的基础上解决禁带模式单一性的问题是非常有意义的。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种TM、TE模式禁带可调的混合等离激元波导布拉格光栅及其设计方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种TM、TE模式禁带可调的混合等离激元波导布拉格光栅，由两种混合等离激元波导结构交替排列构成，

两种混合等离激元波导结构均在SiO₂基底上方居中放置宽度为w的高折射率材料Si，于SiO₂基底上方两侧通过支撑层ZnO层架起无限宽金属Ag层，在支撑层ZnO层与金属层Ag层中间填充一过渡层Si₃N₄，两种混合等离激元波导结构的宽度w不同。

优选地，所述混合等离激元波导布拉格光栅交替排列的周期数为N，所述周期数N＝10.5。

优选地，所述布拉格光栅高折射率Si层的宽度为w，w取不同值，当宽度为w_a时，对应的混合等离激元波导为a，当宽度为w_b时，对应的混合等离激元波导为b，且w_aw_b，布拉格光栅中混合等离激元波导的排布顺序为babab……bab。

优选地，所述混合等离激元波导布拉格光栅中的周期长度为Λ＝d_B,1+d_B,2，具体参数值由下式决定：