[发明专利]一种利用金属光栅实现宽带可调谐硅波导光学非线性四波混频增强的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽带可调谐硅波导光学非线性四波混频增强的方法，尤其涉及一种在带宽范围利用金属光栅激发表面等离子体实现动态可调谐硅波导光学非线性四波混频增强的方法，适用于光纤通信系统和网络。 

背景技术

为适应当今信息通信技术、光子学和集成光学发展的需要，具备新的物理效应的介观尺寸的全光微纳结构光子集成元器件是目前光学领域研究的前沿和热点。因此，新型小尺寸且易集成的表面等离子体也成为国内外学者关注和研究的热点。在表面等离子结构中入射光电磁场与金属中电子集体震荡相互耦合形成表面等离子体极化，表面等离子体是在介电常数符号相反的两种介质分界面上存在的一种电磁表面波模式，由于表面波的特性光能被约束在空间尺寸远小于其在自由空间波长的区域，利用这些特性，可以发展全光通信网络的波长变换和超高精度的诊断和探测等技术。另外，表面等离子体结构将巨大的电磁场限制在非常小的体积内，能将局部的场提高几个数量级，这为非线性、量子光学等现象的形成提供了条件，也为非线性光子学器件发展提供了可靠性保障，比如最近提出的全光通信网络中的光开关、逻辑门、存储器和可调谐非线性波导等。 

目前，光学非线性效应增强技术经过不断发展和完善已经有了较好的理论和实验基础，并且人们已经开始对基于非线性效应的光开关、逻辑门、存储器等非线性光子学器件、光孤子等进行了初步的应用研究；但是，人们对光学非线性效应增强的研究依然存在着诸多不足，如：1）斯坦福大学的学者在光学非线性效应增强方面取得较大的进展，但由于这种对光的操控是基于超冷介质的，离实际应用还有很遥远的距离，2）美国、德国、加 拿大、法国等研究单位的科研人员虽然在非线性效应增强方面都取得相当的突破，但他们仅在某一特定的波长或较窄频段实现非线性，这和未来需要的高宽带的应用还有一定距离；3）人们对各种表面和分界面上的二阶非线性过程比如二次谐波及和频的产生进行了广泛的研究，而对三阶非线性过程比如四波混频的研究还不是很深入。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种利用金属光栅激发表面等离子体实现带宽可调谐硅波导光学非线性四波混频增强的方法。 

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案如下： 

一种利用金属光栅实现宽带可调谐硅波导光学非线性四波混频增强的方法，在金属衬底上设置硅波导，其特征在于，所述硅波导上周期性地设置金属光栅。 

所述硅波导厚度h为60nm-120nm，金属光栅厚度t为50nm，金属光栅周期d的范围：600nm-1200nm，金属光栅宽度l的范围：0-1000nm。 

其优选方案为：硅波导厚度h为100nm，金属光栅厚度t为50nm，金属光栅周期d为1000nm，金属光栅宽度l为224nm。所述金属衬底的材料为Au，所述金属光栅的材料为Au。 

本发明中硅波导光学非线性四波混频增强的带宽和增强因子取决于硅波导及金属光栅的几何参数和光栅周期。 

硅波导中电场强度局部增强因子可表示为：η_in=|E/E_flat|，这里E和E_flat分别是波导上放置金属光栅和没有放置光栅时硅波导中的电场强度，并且E和E_flat是在空气与硅波导分界面之下硅波导中相同位置处测得，下标in表示的是入耦合。 

考虑两个波长分别为λ_A和λ_B的入射光束的非线性混频。由非线性磁化率张量χ⁽³⁾表征的硅波导三阶非线性响应能在两个频率（2ω_A-ω_B和2ω_B-ω_A）产生振荡。所产生的四波混频（four-wave mixing，4WM）的局部增强因子，可以用下式（1）来描述：