一種基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器，包括波導基體，在波導基體上沿著與中心軸平行的方向上設置有光波入射通道，在光波入射通道的一側或兩側加工有n個可與入射光波發(fā)生耦合作用的共振腔，n≥1，在波導基體的外壁上設置有與共振腔相應的光波出射通道，本發(fā)明利用光波與金屬Ag表面自由電子的相互作用，光與Ag介質(zhì)表面發(fā)生耦合作用，光耦合進入共振腔，進而從光波出射通道輸出，使光的利用更高，有80％多的光可以通過耦合作用輸出，同時通過不同的光波出射通道輸出實現(xiàn)固定波長的脈沖光從指定的通道輸出，也可以在一個共振腔輸出多個方向不同的光，大大加強了結構的實用性，可以改變光波輸出方向并且實現(xiàn)多通道輸出。
【專利說明】
一種基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器
技術領域
[0001 ]本發(fā)明屬于光通信技術領域，具體涉及一種基于于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器。
【背景技術】
[0002]波分復用器是光通信領域與光傳感探測領域的重要器件之一，在光通信領域，波分復用器在無需增加敷設光線網(wǎng)絡的情況下實現(xiàn)幾十倍、幾百倍的信道擴容，在光傳感探測領域以波分復用器為核心的微小型光譜分析儀可應用于食品安全檢測、礦井安全檢測、大氣水質(zhì)污染監(jiān)測、醫(yī)學檢測等。
[0003]目前常用的光波分復用器有介質(zhì)膜型和光柵型，其中介質(zhì)膜型普遍采用的解決方案是薄膜濾波(TFF)技術，其光束在傳輸過程中的反射次數(shù)均不相同，各個波長光束的光學路徑不同，而受激光器芯片、準直透鏡以及膜片的位置角度影響(如因熱膨脹而發(fā)生偏移)，光束反射次數(shù)過多會造成光束偏移量過大，造成光束不穩(wěn)定，導致波分復用器的可靠性較低。
[0004]光柵型波分復用器性能穩(wěn)定、易于批量生產(chǎn)、成本低、適合做密集型波分復用而得到廣泛研究與應用，如陣列波導光柵其是將一個M通道模式復用器件與M個波分復用器件相結合，從而總通道數(shù)得以倍增。但是這種方式的不足是所需波分復用器件數(shù)量大，導致整體器件尺寸較大，且在實際制作過程中難以保證數(shù)量眾多的AWG完全一致。
[0005]上述的介質(zhì)膜型和光柵型的波分復用器均存在尺寸較大、成分較高而且結構復雜、穩(wěn)定性能差等問題。因此，在現(xiàn)有的通信集成領域?qū)Σǚ謴陀闷鞯奈⑿突?、可集成化與性能穩(wěn)定之間的協(xié)調(diào)就成為技術發(fā)展的瓶頸。
[0006]中國專利CN105388562A公開了一種高效光子晶體1.31/1.55μπι波分復用器，整個結構的介質(zhì)柱以三角晶格結構排列，晶格常數(shù)a = 0.6ym，介質(zhì)柱半徑r = 0.12ym，材料折射率為2.95，其長度方向含29或30個介質(zhì)柱，寬度方向含14個介質(zhì)柱，其中:去掉倒數(shù)第6排介質(zhì)柱引入一條波導，為波導I;去掉正數(shù)第6排中間部分介質(zhì)柱，兩邊至少各保留4個，形成一條與波導I平行的波導，在右端引出，為波導II;波導I與波導II之間間隔兩排介質(zhì)柱形成相互作用區(qū)，兩波導構成方向耦合波導結構。但是該種結構僅能保持在微米量級，對于納米級的應用環(huán)境，其仍然不能滿足，而且其光的透過率不高，影響光的傳輸效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有波分復用器的尺寸大、集成困難、穩(wěn)定性差的問題，本發(fā)明提供了一種構型小、集成性能好、光利用率高并且可同時處理單個或多個光信號的波長的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器。
[0008]本發(fā)明實現(xiàn)上述目的所采用的技術方案是該基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器包括波導基體，在波導基體上沿著與中心軸平行的方向上設置有光波入射通道，在光波入射通道的一側或者兩側加工有η個可與入射光波發(fā)生耦合作用的共振腔，η多I，在波導基體的外壁上設置有與共振腔相應的光波出射通道。
[0009]上述共振腔可以是四邊形，也可以是圓形或者圓環(huán)結構。
[0010]當共振腔是并列設置的圓形共振腔時，共振腔的直徑隨著光波入射光程的延長漸增，共振腔的半徑R與共振腔的個數(shù)i之間滿足:Ri = 180+10 X (1-1)。
[0011 ] 進一步，共振腔的半徑R與入射波長λ之間滿足:Ai = 0.99Ri+20( 1-1 )+572，入射波長為 700 ?1300nm。
[0012]上述光波出射通道的輸出方向與光波入射通道的光入射方向形成60?120°的夾角。
[0013]上述共振腔與光波入射通道之間的間距G為5?20nm。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0015](I)本發(fā)明的波分復用器是基于Ag/空氣介質(zhì)，其結構小，可實現(xiàn)納米級量級，并且構型簡單，集成性更高，在通信集成光路方面有較好的應用前景。
[0016](2)本發(fā)明是光在波導中傳播時，利用光波與金屬Ag表面自由電子的相互作用，光與Ag介質(zhì)表面發(fā)生耦合作用，光耦合進入共振腔，進而從光波出射通道輸出，使光的利用更高，有80%多的光可以通過耦合作用輸出。
[0017](3)本發(fā)明可以同時處理單個或多個波長的光信號，從光波入射通道打入一束固定波長的光時，只要達到共振腔的共振波長，光就可以在達到共振波長的那個共振腔處發(fā)生耦合作用，進入對應的共振腔，從而將一束光分開，通過不同的光波出射通道輸出，進而實現(xiàn)固定波長的脈沖光從指定的通道輸出，也可以在一個共振腔上輸出多個方向不同的光，實現(xiàn)多通道輸出，并且可以通過調(diào)整光波輸出通道的角度改變光波的輸出方向，大大加強了結構的實用性。
【附圖說明】
[0018]圖1為實施例1的波分復用器的結構示意圖。
[0019]圖2為波長為750nm時光波的輸出示意圖。
[0020]圖3為波長為810nm時光波的輸出示意圖。
[0021 ]圖4為波長為880nm時光波的輸出示意圖。
[0022]圖5為波長為500nm時光波的輸出示意圖。
[0023]圖6為實施例2的波分復用器的結構示意圖。
[0024]圖7為實施例3的波分復用器的結構示意圖。
[0025]圖8為實施例4的波分復用器的結構示意圖。
[0026]圖9為圖8的光波的輸出示意圖。
[0027]圖10為實施例5的波分復用器的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0028]現(xiàn)結合附圖和實施例對本發(fā)明的技術方案進行進一步說明，但是本發(fā)明不僅限于下述的實施情形。
[0029]實施例1
[0030]由圖1可知，本實施例的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器，包括水平放置的波導基體1，本實施例的波導基體1是采用Ag基質(zhì)，在波導基體1上沿著與中心軸平行的方向上加工有直徑為50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的一側并列加工有3個圓形共振腔2,共振腔2是充滿空氣介質(zhì)空腔，其直徑隨著光波入射光程的延長漸增，共振腔2的半徑R與共振腔2的個數(shù)i之間滿足:Ri = 180+10 X (1-1)，共振腔2的半徑R與入射波長A之間滿足:Ai = 0.99Ri+20(1-l)+572,即本實施例第一個共振腔2的半徑hilSOnm，第二個共振腔2 的半徑R2 = 200nm，第三個共振腔2的半徑R3 = 220nm，3個共振腔2與光波入射通道3之間的間距相等，均為G=10nm，在波導基體1的外壁上設置有與共振腔2—一對應的光波出射通道， 即3個共振腔2分別對應3個光波輸出通道4,3個光波輸出通道4的輸出方向與光波入射通道 3的光入射方向垂直，3個共振腔2與光波出射通道之間的間距d等于與光波入射通道3之間的間距G，d=G。[〇〇31] 參見圖2，當從光波入射通道3打入一束脈沖寬帶光時，A = 750nm，光從第一個共振腔2里面出去，而沒有進入后面的共振腔2,即光束剛好達到第一個共振腔2的共振波長，與第一個共振腔2發(fā)生耦合作用，進入到第一個共振腔2中，進而從第一個光波輸出通道4輸出。[〇〇32] 參見圖3,當從光波入射通道3打入一束脈沖寬帶光時，A = 810nm，光從第二個共振腔2里面出去，即光束剛好達到第二個共振腔2的共振波長，與第二個共振腔2發(fā)生耦合作用，進入到第二個共振腔2中，進而從第二個光波輸出通道4輸出。[〇〇33] 參見圖4,當從光波入射通道3打入一束脈沖寬帶光時，A = 880nm，光從第三個共振腔2里面出去，即光束剛好達到第三個共振腔2的共振波長，與第三個共振腔2發(fā)生耦合作用，進入到第三個共振腔2中，進而從第三個光波輸出通道4輸出。[〇〇34] 參見圖5，當從光波入射通道3打入一束脈沖寬帶光時，A = 500nm，脈沖寬帶光通過直波導時，與共振腔2沒有發(fā)生耦合作用，即光沒有進入共振腔2中，而是直接通過波導，被邊界所吸收。
[0035]由此說明，本實施例的波分復用器可以實現(xiàn)定向輸出并且可以同時處理多個波長的光信號。
[0036]實施例2[〇〇37]參見圖6,本實施例的波導基體1是一個厚度為50nm的長方形薄片，采用Ag基質(zhì)，在波導基體1上沿著與中心軸平行的方向上加工有寬度為50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的一側并列加工有3個圓環(huán)形共振腔2,共振腔2是充滿空氣介質(zhì)空腔，其直徑隨著光波入射光程的延長漸增，即本實施例第一個共振腔2的外徑R^=180nm，內(nèi)徑R_=150nm，第二個共振腔2的外徑R2外=200nm，內(nèi)徑R2內(nèi)=170nm，第三個共振腔2的外徑R3外=220nm，內(nèi)徑 R3內(nèi)=180nm，3個共振腔2與光波入射通道3之間的間距相等，均為G = 20nm，在波導基體1的外壁上設置有與共振腔2—一對應的光波出射通道，即3個共振腔2分別對應3個光波輸出通道4,3個光波輸出通道4的輸出方向與光波入射通道3的光入射方向垂直，3個共振腔2與光波出射通道之間的間距d等于與光波入射通道3之間的間距G，d=G。[〇〇38] 工作原理與實施例1相同。[〇〇39] 實施例3[〇〇4〇]參見圖7,本實施例的波導基體1是一個厚度為50nm的正方形薄片，采用Ag基質(zhì)，在波導基體1上沿著與中心軸平行的方向上加工有寬度為50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的上下兩側分別加工有圓形共振腔2,共振腔2內(nèi)充滿空氣介質(zhì)空腔，按照其分布位置分布上共振腔組2-1和下共振腔組2-2,上共振腔組2-1包括有3個等間距分布的圓形共振腔 2,3個上共振腔2的直徑隨著光波入射光程的延長漸增，共振腔2的半徑R與共振腔2的個數(shù)i 之間滿足:Ri= 180+10 X (1-1)，共振腔2的半徑R與入射波長A之間滿足:M = 〇.99Ri+20( 1-1) +572，即本實施例第一個共振腔2的半徑h = 180nm，第二個共振腔2的半徑R2 = 200nm，第三個共振腔2的半徑R3 = 220nm，3個共振腔2與光波入射通道3之間的間距相等，均為G = 10nm。在光波入射通道3的下側也加工有由3個與上共振腔2——對應的下共振腔組2_2成的下共振腔組2-2，下共振腔2與上共振腔2的直徑一致，均滿足Ri = 180+10 X (1-1 )，共振腔2 的半徑R與入射波長入之間滿足Ai = 0.99Ri+20 (1-1 )+572。在每個上共振腔2和下共振腔2的外側均加工有與共振腔2—一對應的光波出射通道，即在在波導基體1的上下側外壁上設置有與上共振腔2和下共振腔2—一對應的光波出射通道，使得當進入光波入射通道3達到共振波長時，與上、下共振腔2發(fā)生耦合，進入相應共振腔2內(nèi)，可以從上下兩側對應的光波輸出通道4輸出。[0041 ] 實施例4[〇〇42]參見圖8和9,本實施例波導基體1波導基體1是采用Ag基質(zhì)，是一個長為2wii，寬為 200nm，厚度為50nm的薄片，在波導基體1上沿著與中心軸平行的方向上加工有寬度為50nm 的光波入射通道3,在光波入射通道3的上側加工有1個充滿空氣介質(zhì)的圓形共振腔2,共振腔2共振腔2共振腔2與光波入射通道3之間的間距是20nm，共振腔2光波入射通道3在波導基體1的上側外壁上加工有3個與共振腔2對應的光波出射通道，3個光波出射通道與光波入射通道3之間的夾角分別為60°、90°和120°，當波導基體1共振腔2共振腔2光波入射通道3共振腔2光波入射通道3共振波通過耦合作用進入共振腔2之后可以從3個不同的方向經(jīng)不同的光波出射通道輸出，達到改變光波輸出方向的目的，并且實現(xiàn)多方向輸出。[〇〇43]其他的設計及其工作原理與實施例1相同。
[0044] 實施例5[〇〇45]本實施例波導基體1是采用Ag基質(zhì)，是一個長為2_，寬為200nm，厚度為50nm的薄片，參見圖10,在波導基體1上沿著與中心軸平行的方向上加工有直徑為50nm的光波入射通道3,在光波入射通道3的上側和下側分別加工有充滿空氣介質(zhì)的方形共振腔2組，即分別為上共振腔組2-1和下共振腔組2-2，上共振腔組2-1與光波入射通道3之間的間距是5nm，下共振腔組2-2與光波入射通道3之間的間距是10nm，上共振腔組2-1是由3個邊長不等的正方形上共振腔組2-1成，下共振腔組2-2是由3個邊長不等的正方形下共振腔組2-2成，在波導基體1的上側外壁上加工有與上共振腔2對應的上光波出射通道，每個上共振腔2對應有3個上光波出射通道，每個上共振腔2對應的3個上光波出射通道與光波入射通道3之間的夾角分別為60°、90°和120°，60°同理，在波導基體1的下側外壁上加工有與下共振腔2對應的下光波出射通道，每個下共振腔2對應有3個下光波出射通道，每個下共振腔2對應的3個下光波出射通道與光波入射通道3之間的夾角分別為60°、90°和120°，60°即共振波通過耦合作用進入共振腔2之后可以從3個不同的方向經(jīng)不同的光波出射通道輸出，達到改變光波輸出方向的目的，并且實現(xiàn)多方向輸出。
[0046]其他的設計及其工作原理與實施例1相同。
[0047]上述實施例中的共振腔的個數(shù)可以根據(jù)波導基體的尺寸確定，可以是1個也可以是多個，另外，光波輸出通道的個數(shù)以及輸出的角度也可以根據(jù)實際應用需求進行確定，通過光波輸出通道的角度和個數(shù)可以改變光波的輸出方向，并且可實現(xiàn)多通道輸出。
【主權項】
1.一種基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器，包括波導基體(I)，其特征在于:在波導基體(I)上沿著與中心軸平行的方向上設置有光波入射通道(3)，在光波入射通道(3)的一側或兩側加工有η個可與入射光波發(fā)生耦合作用的共振腔(2)，n多I，在波導基體(I)的外壁上設置有與共振腔(2)相應的光波出射通道。2.根據(jù)權利要求1所述的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器，其特征在于:所述共振腔(2)是圓形或四邊形或圓環(huán)結構。3.根據(jù)權利要求2所述的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器，其特征在于:所述共振腔(2)是并列設置的圓形共振腔(2)，并且共振腔(2)的直徑隨著光波入射光程的延長漸增，共振腔(2)的半徑R與共振腔(2)的個數(shù)i之間滿足:Ri = 180+10 X (1-1)。4.根據(jù)權利要求3所述的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器，其特征在于所述共振腔(2)的半徑R與入射波長λ之間滿足:Ai = 0.99Ri + 20(1-l )+572，入射波長為700?1300nmo5.根據(jù)權利要求1所述的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器，其特征在于:所述光波出射通道的輸出方向與光波入射通道(3)的光入射方向形成60?120°的夾角。6.根據(jù)權利要求1所述的基于Ag/空氣介質(zhì)的微納結構波分復用器，其特征在于:所述共振腔(2)與光波入射通道(3)之間的間距G為5?20nm。
【文檔編號】G02B6/12GK106019473SQ201610555794
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月14日
【發(fā)明人】李曉輝, 龐星星, 鄒德峰, 柴通, 高鵬飛
【申請人】陜西師范大學