[發明專利]一種集成微納粒子和光波導的光子學器件結構

在審

• 申請號: 202210135028.0
• 申請日: 2022-02-14
• 公開（公告）號: CN114296185A
• 公開（公告）日: 2022-04-08
• 發明（設計）人: 黎永前;余洋;劉金澤;喬大勇
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G02B6/12
• 分類號: G02B6/12
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 呂湘連

本發明提出一種集成微納粒子和光波導的光子學器件結構。該光子學器件結構包括微納粒子(101)，光波導(201，202)，以及基底層(301)。其特征在于微納粒子(101)位于光波導(201，202)的軸線延長線方向；微納粒子(101)和光波導(201)屬于橫向光散射層(200)；橫向光散射層制備在基底層(301)上。所述微納粒子和光波導的材料包括但不限于，硅、鍺、或者氮化硅等電介質材料。該光子學器件結構實現入射光束(401)耦合進光波導(201)和/或光波導(202)，或者入射光束(401)實現等強度或者不等強度分光進光波導(201，202)。該光子學器件結構及其陣列可以實現傳感器功能。

技術領域

本發明涉及微納結構光子學與集成光子學器件領域，涉及一種基于電介質微納粒子及其陣列和光波導集成的光子學器件結構，以及電介質微納粒子與光波導集成的制備方法。

背景技術

光波導耦合器是一種將外部光源耦合到光波導中的光子學器件。傳統的光波導耦合器包括光纖波導耦合器、光柵耦合器、棱鏡耦合器、以及近年來發展的基于微納粒子的光波導耦合器。

光纖波導耦合器將光纖中傳輸光源，沿著光纖軸向通過波導端面耦合到波導中，是一種光纖端面直接耦合結構。

光柵耦合器利用光柵的衍射效應實現光波導耦合。如圖1所示，光柵和波導制備在同一層，傾斜入射光照射在光柵上表面產生衍射效應，衍射光被耦合進波導中(專利CN113219586A)。光柵耦合器具有較好的耦合效率，但是入射光需要有精準的入射角度，入射角度對耦合效率影響很大。

棱鏡耦合器將傾斜入射到棱鏡的光通過近場耦合到光波導中，其原理是光子在金屬/或電介質表面產生的倏逝波近場耦合。如圖2所示，棱鏡-光柵光波導耦合器，傾斜入射光經過棱鏡，在棱鏡-光柵界面產生倏逝波，倏逝波近場耦合進入光波導(專利CN103837937A)。

光柵耦合器和棱鏡耦合器體積大，不利于研制集成光電子學器件。此外，為了實現入射光在波導中的單向傳輸，在光柵耦合器、棱鏡耦合器結構中，入射光相對于光柵、棱鏡之間需要保持精準的夾角，這增加了片外光源與光波導耦合的難度。

幾何尺寸在光波長數量級的微納粒子具有改變光場能量輻射方向的特性。這種微納粒子的形狀包括宏觀領域的幾何結構體，如圓柱體、球體、矩形塊、立方體，三棱體，以及V形結構等，其幾何結構尺寸在幾個微米到幾百納米范圍內。

根據離散偶極子分析理論，在外部入射光激勵下，微納粒子中產生電偶極子、磁偶極子、以及電磁高階多極子。電磁多級子在微納粒子中產生相互干涉效應。這種相互干涉效應可以改變微納粒子的散射光輻射方向，使得微納粒子的輻射光場具有前向、后向、側向、甚至橫向散射特性。散射光輻射方向是入射光波長、偏振方向、以及微納粒子材料、結構形式、以及幾何尺寸的函數。

制備在電介質波導層上的金屬微納粒子，基于金屬微納粒子的側向散射效應[1]，或者金屬納米棒形粒子陣列的定向散射效應，能夠將自由空間入射光耦合到光波導中[2,3]，如圖3和圖4所示。在可見光以及近紅外光波長范圍內，金屬材料微納粒子吸收光而產生熱效應，使得基于金屬微納粒子的光耦合器效率小于5％，同時熱效應降低了光子學器件使用壽命。

在可見光及近紅外光波段，硅材料的歐姆損耗效應可以忽略，硅材料成為制備光子學器件的主要材料。

利用硅光柵結構陣列產生相位梯度，使得特定波長入射光與波導傳輸波矢相匹配，將入射光耦合到光波導中單向傳播(專利CN210119596)，如圖5所示。這種基于相位梯度原理的硅光柵結構，可以將垂直于波導表面的入射光耦合進光波導。由于實現相位梯度的非周期光柵尺度相差較大，提高了制備工藝難度；光柵結構制備誤差嚴重影響這種光波導耦合器的耦合效率。同樣，硅光柵結構光波導耦合器同樣存在結構尺寸大，不利于研制集成光電子學器件。