一种亚波长介质加载型表面等离子激元光波导

摘要

本发明公开了一种具备亚波长光场限制能力的介质加载型表面等离子激元光波导，该波导结构的横截面包括介质基底层(1)、位于基底层上的金属区域(2)、包覆金属区域的低折射率介质区域(3)、包覆金属区域和低折射率介质区域的高折射率介质区域(4)，以及包层(5)。高折射率介质区域的存在，可显著地缩小该波导结构的光场分布范围，实现对传输光场的二维亚波长约束；同时低折射率介质区域的存在，使得该波导仍能保持较低的传输损耗。所述光波导较好的实现了光场限制能力和传输损耗之间的平衡，为超高集成度光波导芯片的实现提供可能。

权利要求

1.一种具备亚波长光场限制能力的介质加载型表面等离子激元光波导结构，其横截面包括介质基底层、位于介质基底层上的高折射率介质区域、被高折射率介质区域和介质基底层包围的低折射率介质区域、被低折射率介质区域和介质基底层包围的金属区域、以及包层；其中，高折射率介质区域的宽度范围为所传输光信号的波长的0.11-0.7倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.11-0.7倍，低折射率介质区域与介质基底层相接，且低折射率介质区域的宽度范围为所传输光信号的波长的0.05-0.33倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.05-0.33倍，低折射率介质区域的宽度和高度分别小于高折射率介质区域的宽度和高度，金属区域与介质基底层相接，且金属区域的宽度范围为所传输光信号的波长的0.03-0.13倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.03-0.13倍，金属区域的宽度和高度分别小于低折射率介质区域的宽度和高度；高折射率介质区域的材料折射率高于低折射率介质区域以及包层的材料折射率，低折射率介质区域和包层的材料为相同材料或不同材料，低折射率介质区域和包层的材料折射率的最大值与高折射率介质区域的材料折射率的比值小于0.75。

2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中金属区域的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同金属复合的材料。

3.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中高折射率介质区域与低折射率介质区域及金属区域共同构成的区域的截面的外轮廓形状为矩形、圆形的一部分、椭圆形的一部分或梯形中的任何一种。

4.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中低折射率介质区域与金属区域共同构成的截面的外轮廓形状为矩形、圆形的一部分、椭圆形的一部分或梯形中的任何一种。

5.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中金属区域的截面的形状为矩形、梯形、圆形、椭圆形中的任何一种。

说明书

一种亚波长介质加载型表面等离子激元光波导

技术领域

[0001] 本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种亚波长介质加载型表面等离子激元光波导。

背景技术

[0002] 近年来，表面等离子激元光子学技术由于其独特的优势，已在纳米光子学领域中显示出巨大的应用潜力。表面等离子激元是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式。这种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。表面等离子激元具有较强的场限制特性，可以将场能量约束在空间尺寸远小于其自由空间传输波长的区域，且其性质可随金属表面结构变化而改变。在适当的金属与介质组成的表面等离子激元光波导结构中，横向光场分布可被限制在几十纳米甚至更小的范围内，能够超过衍射极限的限制。

[0003] 传统的表面等离子激元光波导主要包括金属/介质/金属型和介质/金属/介质型两类结构。其中，介质/金属/介质型光波导传输损耗较低，但较差的模场限制能力制约了其在高集成度光路中的应用；另一方面，金属/介质/金属型光波导具有很强的模场限制能力，但其传输损耗太大，导致其无法实现长距离光信号的传输。针对传统表面等离子激元光波导模场限制能力和传输损耗之间的矛盾，研究人员提出了介质加载型表面等离子激元光波导。该波导的横截面由金属基底及位于其上方的有限尺寸的介质区域组成。与其他类型的表面等离子激元光波导相比，这种介质加载型表面等离子激元光波导既能在横向上提供亚波长尺寸的约束，同时又具有相对较小的传输损耗，此外，加工制作的简便也使得该类波导在集成光学中有较好的应用潜力。目前，国外很多研究小组都对介质加载型表面等离子激元光波导进行了系统的理论研究并报道了基于相关波导的微纳器件的实验进展。

[0004] 现有的介质加载型表面等离子激元光波导通常采用的是折射率约1.535的低折射率聚合物材料。这类波导可以实现低损耗光信号传输但是其尺寸往往相对较大。通常为保证单模条件并保持较长的传输距离，聚合物横截面的长度和宽度往往都在六百纳米左右，相应的模场尺寸也已经达到近微米量级，不利于波导及器件的集成。而采用高折射率的材料（例如半导体材料）作为介质层可以缩小波导的整体尺寸并提高模场限制能力，但是随之引起的传输损耗会明显增大。

[0005] 为解决该问题，本发明通过采用金属纳米棒代替原有的金属基底，同时引入高、低折射率介质组成的复合结构，所得到的新型表面等离子激元光波导同时具备亚波长的模场限制能力以及较低的传输损耗。由于低折射率介质区域可以采用空气或其它气体填充，该波导的传输损耗可以得到显著降低，另一方面场增强效应得到进一步加强。此外由于所提波导的高折射率介质层可以采用半导体材料，因此该二维结构可与半导体平面芯片加工工艺匹配，易应用于高集成度的光波导芯片中，对于实现大规模集成光路具有十分重要的意义。

发明内容

[0006] 本发明的目的是克服基于低折射率材料的介质加载型表面等离子激元光波导场模场面积大、限制能力差的缺陷，提出一种具备亚波长模场限制能力和较低传输损耗的介质加载型表面等离子激元光波导结构。

[0007] 本发明提供了一种具备亚波长光场限制能力的介质加载型表面等离子激元光波导结构，其横截面包括介质基底层、位于介质基底层上的高折射率介质区域、被高折射率介质区域和介质基底层包围的低折射率介质区域、被低折射率介质区域和介质基底层包围的金属区域、以及包层；其中，高折射率介质区域的宽度范围为所传输光信号的波长的0.11-0.7倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.11-0.7倍，低折射率介质区域与介质基底层相接，且低折射率介质区域的宽度范围为所传输光信号的波长的0.05-0.33倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.05-0.33倍，低折射率介质区域的宽度和高度分别小于高折射率介质区域的宽度和高度，金属区域与介质基底层相接，且金属区域的宽度范围为所传输光信号的波长的0.03-0.13倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.03-0.13倍，金属区域的宽度和高度分别小于低折射率介质区域的宽度和高度；高折射率介质区域的材料折射率高于低折射率介质区域以及包层的材料折射率，低折射率介质区域和包层的材料可为相同材料或不同材料，低折射率介质区域和包层的材料折射率的最大值与高折射率介质区域的材料折射率的比值小于0.75。

[0008] 所述介质加载型表面等离子激元光波导结构中金属区域的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同金属复合的材料。

[0009] 所述介质加载型表面等离子激元光波导结构中高折射率介质区域与低折射率介质区域及金属区域共同构成的区域的截面的外轮廓形状为矩形、圆形的一部分、椭圆形的一部分或梯形中的任何一种。

[0010] 所述介质加载型表面等离子激元光波导结构中低折射率介质区域与金属区域共同构成的截面的外轮廓形状为矩形、圆形的一部分、椭圆形的一部分或梯形中的任何一种。

[0011] 所述介质加载型表面等离子激元光波导结构中金属区域的截面的形状为矩形、梯形、圆形、椭圆形中的任何一种。

[0012] 本发明的介质加载型表面等离子激元光波导具有以下优点：

[0013] 1．所提介质加载型表面等离子激元光波导中高折射率介质区域的存在，使得其与现有的基于低折射率的介质加载型表面等离子激元光波导相比，其横向和纵向尺寸可以明显缩小，在保证亚波长模场限制的前提下保持较低的传输损耗。而与基于高折射率的介质加载型表面等离子激元光波导相比，其传输损耗可明显降低，同时保持了亚波长模场限制能力。

[0014] 2．所提介质加载型表面等离子激元光波导的低折射率介质区域的存在，使得光场可以较好的被限制在低折射率介质中传输，由于该区域可以采用二氧化硅等低折射率材料或者其它低折射率聚合物材料，也可以采用空气及其它气体填充，其传输损耗可以得到显著降低，另一方面场增强效应得到进一步加强，传统的介质加载型光波导则无法实现这一目标。

[0015] 3．所提介质加载型表面等离子激元光波导的高折射率介质层可以采用半导体材料，因此该二维结构可与半导体平面芯片加工工艺匹配，易应用于高集成度的光波导芯片中。

附图说明

[0016] 图1是介质加载型表面等离子激元光波导的结构示意图。区域1为介质基底层，区域2为金属区，其宽度为wm，高度为hm；区域3为低折射率介质区，其宽度为wl，高度为hl;区域4为高折射率介质区，其宽度为wh，高度为wh;区域5为包层。

[0017] 图2是实例所述介质加载型表面等离子激元光波导的结构图。201为介质基底层，ns为其折射率；202为金属纳米棒，nm为其折射率,其横截面为方形，其宽度为wm，高度为hm；203为低折射率介质区，nl为其折射率，wl为其宽度,hl为其高度；204为高射率介质区，nh为其折射率，wh为其宽度,hh为其高度;205为包层，nc为其折射率。

[0018] 图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质加载型表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度沿X轴方向的分布曲线。

[0019] 图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质加载型表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的有效折射率随宽度wh的变化曲线。

[0020] 图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质加载型表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的传输距离随宽度wh的变化曲线。

[0021] 图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述介质加载型表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的归一化有效模场面积随宽度wh的变化曲线。

具体实施方式

[0022] 表面等离子激元光波导的模式特性参数主要包括有效折射率实部、传输距离和归一化有效模场面积。

[0023] 传输距离L定义为任一界面上电场强度衰减为起始值l/e时的距离，其表达式为：

[0024] L=λ/[4π/Im(neff)] （1）

[0025] 其中Im(neff)为模式有效折射率的虚部，λ为传输光信号的波长。

[0026] 有效模场面积的计算表达式如下：

[0027] Aeff=(∫∫W(r)dxdy)2/∫∫W(r)2dxdy （2）其中，Aeff为有效模场面积，W(r)为表面等离子波的能流密度，其定义式为：

[0028] W(r)=0.5Re{d[ωε(r)]/dω}|E(r)|2+0.5μ0|H(r)|2 （3）[0029] 其中，Re表示取实部，E(r)为表面等离子波的电场,H(r)为表面等离子波的磁场，ε(r)为电导率，μ0为真空磁导率。归一化有效模场面积为(2)式计算得到的有效模场面积与衍射极限小孔面积之比。衍射极限小孔的面积定义如下：

[0030] A0=λ2/4 （3）

[0031] 其中，A0为衍射极限小孔面积，λ为传输光信号的波长。因此，归一化有效模场面积A为：

[0032] A=Aeff/A0 （4）

[0033] 归一化有效模场面积的大小表征模式的模场限制能力，该值小于1的情形对应亚波长的尺寸约束。

[0034] 实例：

[0035] 图2是实例所述介质加载型表面等离子激元光波导的结构图。201为介质基底层，ns为其折射率；202为金属纳米棒，nm为其折射率,其横截面为方形，其宽度为wm，高度为hm；203为低折射率介质区，nl为其折射率，wl为其宽度,hl为其高度；204为高射率介质区，nh为其折射率，wh为其宽度,hh为其高度;205为包层，nc为其折射率。

[0036] 在本实例中，传输的光信号的波长选定为1.55μm，201和203的材料设为二氧化硅，其折射率为1.5；202的材料为银，在1.55μm波长处的折射率为0.1453+i*11.3587；204的材料设为硅，其折射率为3.5；205的材料设为空气，其折射率为1。

[0037] 在本实例中，202的宽度wm=100nm，高度为hm=100nm；203的宽度wl=120nm，高度hl=110nm；204的宽度wh的取值范围为220-620nm(204的厚度均匀(取值范围50-250nm)，相应的高度hh的取值范围为160-360nm)。

[0038] 使用全矢量有限元方法对本实施例中的上述波导结构进行仿真，计算得到1.55μm波长处表面等离子激元模式的模场分布及模式特性。

[0039] 图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质加载型表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度沿X轴方向的分布曲线，其中204的宽度wh=260nm,高度hh=230nm。由图可见，所述介质加载型表面等离子激元光波导光场的电场强度曲线在低折射率介质区域内有显著的场增强效应。

[0040] 图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质加载型表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的有效折射率随宽度wh的变化曲线。由图4可见，所述介质加载型光波导的表面等离子激元模式的有效折射率随宽度wh增大而减小。

[0041] 图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质加载型表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的传输距离随宽度wh的变化曲线。由图5可见，所述介质加载型光波导的表面等离子激元模式的传输距离随宽度wh的增大而先减小后增大，且介于45～557微米之间，说明具有较低的传输损耗。

[0042] 图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述介质加载型表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的归一化有效模场面积随宽度wh的变化曲线。由图6可见，所述介质加载型光波导的表面等离子激元模式的模场面积随宽度wh的增大而先减小后增大。同时由图可知归一化有效模场面积仍然很小，且远小于1，说明所述介质加载型光波导具有亚波长的模场限制能力。

[0043] 最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的表面等离子激元光波导结构，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。