本發(fā)明涉及集成光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種能量吸收器。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的能量吸收器，多采用諧振腔方案來實現(xiàn)消除反射和透射，但是采用，要求諧振腔必須工作在臨界耦合的條件下，對腔的結(jié)構(gòu)參數(shù)要求很高，諧振腔的吸收譜是洛倫茲線型，譜寬相對較低，諧振腔的共振中心波長對溫度很敏感，當(dāng)工作一段時間后，腔內(nèi)儲存的能量會導(dǎo)致溫度升高，從而帶來不穩(wěn)定性，諧振腔腔內(nèi)建立起穩(wěn)定的振蕩需要時間，所以不利于超快脈沖相關(guān)的應(yīng)用，特別地，在集成光路中，能量通常是特定偏振的模式，對于同一個諧振腔結(jié)構(gòu)，其共振峰通常不同，很難實現(xiàn)對兩個偏振的同時吸收。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有方案存在的問題，為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)方案的不足，本發(fā)明提出了一種能量吸收器，可以在集成光學(xué)芯片中用于消除雜散光和強光給信息處理過程帶來的噪聲等。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種能量吸收器，包括：介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)，用于傳輸光子；以及金屬包覆層，包括金屬吸收結(jié)構(gòu)，在所述金屬吸收結(jié)構(gòu)中，金屬層完全包覆所述介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述金屬包覆層還包括金屬絕熱結(jié)構(gòu)，所述金屬絕熱結(jié)構(gòu)絕熱地包覆所述介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)，在所述光子傳輸?shù)姆较蛏?，所述金屬絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述金屬吸收結(jié)構(gòu)之前。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述金屬絕熱結(jié)構(gòu)包括至少一連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)，所述連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性曲面沿所述光子傳輸?shù)姆较蛑饾u靠近所述介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)直至所述連續(xù)性曲面與所述介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)相切。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述連續(xù)性曲面為圓弧面、拋物面或者雙曲面。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)為兩個，所述兩個連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)分別位于所述介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)的兩側(cè)。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述兩個連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)相對于光學(xué)波導(dǎo)對稱設(shè)置，所述連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性曲面為圓弧面。

在本發(fā)明的一些實施例中，連續(xù)性曲面曲率半徑越大，所述光子的反射率越低。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述金屬吸收結(jié)構(gòu)的長度越長，所述吸收效率越高。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述金屬吸收結(jié)構(gòu)的長度大于傳播長度l，其中傳播長度l為光子在金屬與介質(zhì)交界面的表面等離激元模式的強度衰減為初始值的1/e時傳播的距離。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述金屬絕熱結(jié)構(gòu)與所述金屬吸收結(jié)構(gòu)鄰接設(shè)置，且兩者一體形成。

在本發(fā)明的一些實施例中，所述介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)為硅基波導(dǎo)。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果：

采用金屬吸收結(jié)構(gòu)，能量吸收過程不存在共振條件，對于待吸收光子的波長、偏振等沒有要求，工作帶寬可以很寬；

采用金屬絕熱結(jié)構(gòu)，反射率可降至0.1％以下，所以對前置光路幾乎沒有影響；

本發(fā)明中的能量吸收器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，金屬絕熱結(jié)構(gòu)，與諧振腔型結(jié)構(gòu)相比，允許比較大的加工誤差，對加工工藝的要求不高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例中的能量吸收器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為光學(xué)模式與表面等離激元模式的有效折射率曲線圖；

圖3為表面等離激元模式的傳播長度與入射波長的關(guān)系曲線圖；

圖4為本發(fā)明一實驗例中金屬絕熱結(jié)構(gòu)的傅里葉變換譜圖及能量吸收器的反射率與金屬圓弧面曲率半徑的關(guān)系圖；

圖5為本發(fā)明一實驗例中金屬吸收結(jié)構(gòu)的傅里葉變換譜圖；

圖6為本發(fā)明一實驗例中能量吸收器反射率、透射率與入射光波長的關(guān)系圖。

具體實施方式

本發(fā)明某些實施例于后方將參照所附附圖做更全面性地描述，其中一些但并非全部的實施例將被示出。實際上，本發(fā)明的各種實施例可以許多不同形式實現(xiàn)，而不應(yīng)被解釋為限于此數(shù)所闡述的實施例；相對地，提供這些實施例使得本發(fā)明滿足適用的法律要求。

在本說明書中，下述用于描述本發(fā)明原理的各種實施例只是說明，不應(yīng)該以任何方式解釋為限制發(fā)明的范圍。參照附圖的下述描述用于幫助全面理解由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的示例性實施例。下述描述包括多種具體細(xì)節(jié)來幫助理解，但這些細(xì)節(jié)應(yīng)認(rèn)為僅僅是示例性的。因此，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)認(rèn)識到，在不悖離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，可以對本文中描述的實施例進(jìn)行多種改變和修改。此外，為了清楚和簡潔起見，省略了公知功能和結(jié)構(gòu)的描述。此外，貫穿附圖，相同附圖標(biāo)記用于相似功能和操作。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明一實施例提供一種能量吸收器，包括：介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)，用于傳輸光子；以及金屬包覆層，包括金屬吸收結(jié)構(gòu)，在所述金屬吸收結(jié)構(gòu)中，金屬層完全包覆所述介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)。

對于一根介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)，光子在其中以光學(xué)模式的形式傳播；當(dāng)介質(zhì)波導(dǎo)的周圍被金屬包覆時，光子將以表面等離激元模式的形式傳輸,本發(fā)明實施例利用表面等離激元對電磁場的吸收損耗，把光子能量吸收并以熱能的形式耗散掉，完全地消除透射。圖1為本發(fā)明一實施例中的能量吸收器結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明實施例中的介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)以硅基波導(dǎo)為例，如圖1所示，介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)1設(shè)置在硅基襯底2上，光子沿圖1中的z方向沿著介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)1傳播，金屬包覆層3包括金屬吸收層31，金屬吸收層31設(shè)置在硅基襯底2上，完全包覆介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)1，本實施例中介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)1的截面為矩形，截面尺寸為300nm×400nm，包覆介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)1的金屬吸收層31的截面亦為矩形。

由于光學(xué)模式的能量主要局域在波導(dǎo)內(nèi)部，而表面等離激元模式的能量主要局域在介質(zhì)與金屬的交界面，所以，光學(xué)模式與表面等離激元模式的有效折射率差別很大。圖2為光學(xué)模式與表面等離激元模式的有效折射率曲線圖，本實施例中以硅基波導(dǎo)(截面尺寸為300nm×400nm)為例，任一光場可以分解為沿水平方向振動的h-mode的光子和沿豎直方向振動的v-mode的光子，分別求出h-mode的光子和v-mode的光子的光學(xué)模式(即圖2中的optical_h和optical_v)和表面等離激元模式(即圖2中的spp_h和spp_v)的有效折射率進(jìn)行對比，如圖2所示，對于波長為1400nm-1700nm的光子來說，v-mode的光子的光學(xué)模式的折射率比表面等離激元模式大，h-mode的光子的光學(xué)模式的折射率與表面等離激元模式的折射率之間的差距更大。該有效折射率之差，意味著當(dāng)光學(xué)模式與表面等離激元模式直接耦合時阻抗不匹配，會有很大的反射。

為了降低阻抗不匹配導(dǎo)致的反射，需要將光學(xué)模式絕熱地轉(zhuǎn)化成表面等離激元模式。本發(fā)明的另一實施例在上一實施例的基礎(chǔ)上增設(shè)了金屬絕熱結(jié)構(gòu)，該金屬絕熱結(jié)構(gòu)絕熱地包覆介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)。如圖1所示，在所述光子傳輸?shù)姆较蛏?，所述金屬絕熱結(jié)構(gòu)32設(shè)置在所述金屬吸收結(jié)構(gòu)31之前，兩者鄰接設(shè)置。本實施例中，金屬絕熱結(jié)構(gòu)32包括至少一個連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)，例如為兩個，連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性曲面沿所述光子傳輸?shù)姆较蛑饾u靠近所述介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)1直至連續(xù)性曲面與所述介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)1相切，兩個連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)分別位于所述介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)的兩側(cè)且相對于光學(xué)波導(dǎo)1對稱設(shè)置，連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)的連續(xù)性曲面可以為圓弧面。如此設(shè)計，可以將介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)中的光學(xué)模式絕熱地轉(zhuǎn)化成表面等離激元模式，降低阻抗不匹配導(dǎo)致的反射。本實施例中，金屬絕熱結(jié)構(gòu)和金屬吸收結(jié)構(gòu)可以一體形成。

在上述實施例中利用絕熱變化的金屬結(jié)構(gòu)，將介質(zhì)波導(dǎo)中的光學(xué)模式絕熱地轉(zhuǎn)化成介質(zhì)-金屬混合波導(dǎo)中的表面等離激元模式，在提高吸收效率的同時，將反射場對原光路的影響基本消除。

在其他實施例中，金屬絕熱結(jié)構(gòu)還可以采用其他的連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)，只要能夠?qū)崿F(xiàn)將介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)中的介質(zhì)模式絕熱地轉(zhuǎn)化成表面等離激元模式即可，例如可以采用連續(xù)性曲面為拋物面或者雙曲面等的連續(xù)性曲面結(jié)構(gòu)，使得金屬絕熱結(jié)構(gòu)靠近介質(zhì)波導(dǎo)的速率足夠緩慢。

在上述實施例中，在前面的金屬絕熱結(jié)構(gòu)32的作用下，介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)1中的光學(xué)模式完全被轉(zhuǎn)化成表面等離激元模式，避免了光子的反射，轉(zhuǎn)化成表面等離激元模式的光子被緊鄰的金屬吸收結(jié)構(gòu)31吸收，避免光子的透射。此時，表面等離激元模式的光子的強度以指數(shù)的形式沿著傳播方向衰減，定義表面等離激元模式的光子的能量衰減至初始條件的1/e時所傳播的距離為l，稱之為傳播長度，傳播長度與入射波長相關(guān)，圖3為表面等離激元模式的傳播長度與入射波長的關(guān)系曲線圖，如圖3所示，無論對于spp_h模式還是spp_v模式，在波長為1400nm至1700nm的范圍內(nèi)，波長越長，表面等離激元模式的傳播長度l越大。為了提高吸收效率，金屬吸收結(jié)構(gòu)的長度要大于傳播長度l，并且金屬吸收結(jié)構(gòu)越長，吸收效果越好。

實驗例1

應(yīng)用上述方案設(shè)計了一個能量吸收器，令金屬吸收結(jié)構(gòu)31的長度為l＝20μm，金屬材料采用的是金(au)，金屬吸收結(jié)構(gòu)的矩形截面尺寸為1.5μm×0.8μm。

介質(zhì)光學(xué)波導(dǎo)中的任意傳播場可以看作所有本征模式的線性疊加，其形式上類似于傅里葉級數(shù)，其中每一個本征模在總電場中所占的比重記作c(ni)，稱為權(quán)重因子，ni為該本征模的有效折射率。將波導(dǎo)中心軸上的總電場e(z)進(jìn)行傅里葉變換，便可得到每一個本征模的權(quán)重因子，其中ni前面的符號代表了能量的傳播方向。

圖4為本發(fā)明一實驗例中金屬絕熱結(jié)構(gòu)的傅里葉變換譜圖及能量吸收器的反射率與金屬圓弧面曲率半徑的關(guān)系圖，圖4中(a)示出了金屬絕熱結(jié)構(gòu)(參照圖1所示，沿z軸方向，0≤z≤l)的典型的傅里葉變換譜，正、負(fù)半軸的峰分別代表正向、反向傳播的光學(xué)模式的權(quán)重因子，可以得到反射率的表達(dá)式為r＝|c(-ni)/c(+ni)|²其中ni表示有效折射率，并給出了曲率半徑分別為0、10μm、20μm的不同情形。圖4中(b)示出了反射率關(guān)于圓弧曲率半徑的關(guān)系，cx(neff)＝cx(ni)，對h-mode，圓弧曲率半徑越大，反射率越小。對v-mode，當(dāng)圓弧曲率半徑較小時，反射率隨半徑的增大而減??；當(dāng)半徑較大時，反射率不再隨半徑的增大而單調(diào)遞減，減小趨勢趨于飽和，整體上看，反射率與金屬圓弧面的曲率半徑相關(guān)，半徑越大，說明金屬在靠近介質(zhì)波導(dǎo)的過程中越絕熱，因此反射率越低。

同理，可以對金屬吸收結(jié)構(gòu)的電場e(z)(參照圖1所示，沿z軸方向，l≤z≤2l)進(jìn)行離散傅里葉變換。圖5為金屬吸收結(jié)構(gòu)的傅里葉變換譜圖，h-mode的電場，其偏振方向沿圖1中坐標(biāo)軸x方向；v-mode的電場，其偏振沿坐標(biāo)軸y方向，圖5的(a)、(b)中的cx、cy分別代表了以h-mode、v-mode光子入射時，波導(dǎo)中各個模式的權(quán)重因子。如圖5所示，在傅里葉變換譜中，ni>0的區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了不同的峰，分別代表不同的表面等離激元本征模式，而ni<0的區(qū)間內(nèi)沒有峰，說明金屬吸收結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)中只有正向傳播的表面等離激元模式。對于金屬吸收結(jié)構(gòu)長度的選擇，越長越好，

本實驗例1中的能量吸收器可以在通訊波段進(jìn)行有效工作。圖6中(a)、(b)分別為本發(fā)明實驗例1中能量吸收器反射率、透射率與入射光波長的關(guān)系圖，如圖6所示，采用實驗例1中能量吸收器，在1400nm～1700nm的范圍內(nèi)，無論是h-mode還是v-mode的光子，能量吸收器的反射率均小于10^-3，能量吸收器的透射率均小于5*10^-3。能量吸收器的吸收效率可以保持在99.5％以上。

本發(fā)明實施例可以用于集成光學(xué)芯片上無用的雜散光或強泵浦光的消除，根據(jù)選取的金屬絕熱結(jié)構(gòu)的圓弧面的曲率半徑，反射率可以降低至0.1％以下；根據(jù)選取的金屬吸收結(jié)構(gòu)的長度，透過率也可以降至0.1％以下。本發(fā)明實施例中的能量吸收器，對加工精度的要求更低，工作帶寬更寬，能夠消除集成光學(xué)芯片上信息處理過程中由雜散光帶來的噪聲。

需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，上述對各元件和方法的定義并不僅限于實施例中提到的各種具體結(jié)構(gòu)、形狀或方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對其進(jìn)行簡單地更改或替換。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。