一种槽型混合表面等离子激元光波导

摘要

本发明公开了一种具有较强模场限制能力的槽型混合表面等离子激元光波导，该波导结构的横截面包括“V”字形金属基底(1)、低折射率介质层(2)、高折射率介质区(3)以及包层(4)。“V”字形金属基底和高折射率介质区的存在，使得大部分光场能够被限制在纳米级的“V”字形低折射率介质槽中，同时具有较低的传输损耗。此结构易于加工，可应用于构建高集成度的光波导器件和芯片。

权利要求

1.一种具有较强模场限制能力的槽型混合表面等离子激元光波导，其横截面从下到上依次为金属基底、低折射率介质层、高折射率介质区和包层；金属基底在与低折射率介质层相接的区域的外轮廓呈“V”字形，且金属基底“V”字形区域的高度范围为所传输光信号的波长的0.12-0.65倍；低折射率介质层与金属基底相接的区域的外轮廓以及低折射率介质层与高折射率介质区相接的区域的外轮廓均呈“V”字形，低折射率介质层的厚度均匀，其厚度范围为所传输光信号的波长的0.06-0.4倍,金属基底“V”字形区域中心的外顶角和高折射率介质区底部的内顶角相等，其角度范围大于0度且小于180度；高折射率介质区的材料折射率高于低折射率介质层以及包层的材料折射率，低折射率介质层和包层的材料为相同材料或不同材料，低折射率介质层和包层的材料折射率的最大值与高折射率介质区的材料折射率的比值小于0.75。

2.根据权利要求1所述的具有较强模场限制能力的槽型混合表面等离子激元光波导，其特征在于，金属基底“V”字形区域的中心和高折射率介质区的底部均有倒角，且金属基底“V”字形区域中心的倒角大于高折射率介质区底部的倒角，两倒角曲率半径之差等于低折射率介质层的厚度。

3.根据权利要求1所述的具有较强模场限制能力的槽型混合表面等离子激元光波导，其特征在于，金属基底的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。

说明书

一种槽型混合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，具体涉及一种槽型混合表面等离子激元光波导。

背景技术

[0002] 作为纳米光子学的新兴研究领域，表面等离子激元光波导技术已经吸引了越来越多国内外专家学者的关注。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。表面等离子激元波导可以突破衍射极限的限制，将光场约束在几十纳米甚至更小的范围内，并产生显著的场增强效应。目前表面等离子激元光波导正以其独特的模场限制能力、较长的传输距离，以及可以同时传输光电讯号、可调控等独特的优势在纳米光子学领域显示出巨大的潜力，并已在纳米光子芯片、调制器、耦合器和开关、纳米激光器、突破衍射极限的超分辨成像以及生物传感器等方面有着重要的应用前景。

[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，加州大学伯克利分校的张翔研究小组提出了一种混合型表面等离子激元光波导，他们的研究发现在低折射率介质/金属表面的附近添加一个高折射率介质层，可将光场约束到高折射率介质层和金属界面之间的低折射率介质狭缝中传输，同时保持较低的传输损耗。

[0004] 受该混合型波导结构的启发，本发明为进一步提高其模场限制能力，提出一种采用金属槽作为基底的混合型波导结构。该混合型波导可以很好的将模场限制在金属槽和槽内所填充的高折射率介质之间的狭缝内，从而实现对模场的亚波长限制，同时具有较低的传输损耗。此波导可用于实现各类有源及无源表面等离子激元器件，对于构建大规模集成光路具有十分重要的意义。

发明内容

[0005] 本发明的目的是进一步提高传统混合型波导的模场限制能力，提出一种槽型混合表面等离子激元光波导结构。

[0006] 本发明提供了一种具有较强模场限制能力的槽型混合表面等离子激元光波导，其横截面从下到上依次为金属基底、低折射率介质层、高折射率介质区和包层；金属基底在与低折射率介质层相接的区域的外轮廓呈“V”字形，且金属基底“V”字形区域的高度范围为所传输光信号的波长的0.12-0.65倍；低折射率介质层与金属基底相接的区域的外轮廓以及低折射率介质层与高折射率介质区相接的区域的外轮廓均呈“V”字形，低折射率介质层的厚度均匀，其厚度范围为所传输光信号的波长的0.06-0.4倍，金属基底“V”字形区域中心的外顶角和高折射率介质区底部的内顶角相等，其角度范围大于0度且小于180度；高折射率介质区的材料折射率高于低折射率介质层以及包层的材料折射率，低折射率介质层和包层的材料可为相同材料或不同材料，低折射率介质层和包层的材料折射率的最大值与高折射率介质区的材料折射率的比值小于0.75。

[0007] 所述结构中金属基底“V”字形区域的中心和高折射率介质区的底部均有倒角，且金属基底“V”字形区域中心的倒角大于高折射率介质区底部的倒角，两倒角曲率半径之差等于低折射率介质层的厚度。

[0008] 所述结构中金属基底的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。

[0009] 本发明的槽型混合表面等离子激元光波导具有以下优点：

[0010] 本发明所设计的槽型混合表面等离子激元光波导可以将光场较好的限制在纳米级的低折射率介质槽中，同时具有较低的传输损耗。

[0011] 与其他类似混合型表面等离子激元光波导结构相比，该二维结构更易于加工，易应用于高集成度的光波导芯片中。

附图说明

[0012] 图1是槽型混合表面等离子激元光波导的结构示意图。区域1为金属基底，“V”字形区域的高度为h，“V”字形区域中心的外顶角为θ，“V”字形区域中心的倒角半径为d+r；区域2为低折射率介质层，其厚度为d；区域3为高折射率介质区，其底部的内顶角为θ，底部的倒角半径为r；区域4为包层。

[0013] 图2是实例所述槽型混合表面等离子激元光波导的结构图。201为金属基底，“V”字形区域的高度为h，“V”字形区域中心的外顶角为θ，“V”字形区域中心的倒角半径为d+r，nm为其折射率；202为低折射率介质层，其厚度为d，nl为其折射率；203为高折射率介质区，其底部的内顶角为θ，底部的倒角半径为r，nh为其折射率；区域4为包层，nc为其折射率。

[0014] 图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述槽型混合表面等离子激元光波导的所支持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。

[0015] 图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述槽型混合表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率随高度h的变化曲线。

[0016] 图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述槽型混合表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随高度h的变化曲线

[0017] 图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述槽型混合表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的归一化有效模场面积随高度h的变化曲线。

具体实施方式

[0018] 表面等离子波的模式特性是表征表面等离子激元光波导的重要指标。其中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。

[0019] 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：

[0020] L＝λ/[4πIm(neff)] (1)

[0021] 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。

[0022] 有效模场面积的计算表达式如下：

[0023] Aeff＝(∫∫W(r)dxdy)2/∫∫W(r)2dxdy (2)

[0024] 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：

[0025] W(r)＝0.5Re{d[ωε(r)]/dω}|E(r)|2+0.5μ0|H(r)|2 (3)

[0026] 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：

[0027] A0＝λ2/4 (4)

[0028] 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：

[0029] A＝Aeff/A0 (5)

[0030] 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。

[0031] 实例：

[0032] 图2是实例所述槽型混合表面等离子激元光波导的结构图。201为金属基底，“V”字形区域的高度为h，“V”字形区域中心的外顶角为θ，“V”字形区域中心的倒角半径为d+r，nm为其折射率；202为低折射率介质层，其厚度为d，nl为其折射率；203为高折射率介质区，其底部的内顶角为θ，底部的倒角半径为r，nh为其折射率；区域4为包层，nc为其折射率。

[0033] 在本实例中，传输的光信号的波长选定为1.55μm，201的材料为银，在1.55μm波长处的折射率为0.1453+i*11.3587；203的材料设为二氧化硅，其折射率为1.5；203的材料设为硅，其折射率为3.5；204的材料设为二氧化硅，其折射率为1.5。

[0034] 在本实例中，201的“V”字形区域中心的外顶角和203底部的内顶角θ＝25度；201的“V”字形区域的高度h的取值范围为190nm-1000nm；202的厚度d＝20nm；倒角半径r＝10nm，d+r＝30nm。

[0035] 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。

[0036] 图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述槽型混合表面等离子激元光波导的所支持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h为500nm。由图3可见，所述槽型混合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明显的场增强效应。

[0037] 图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述槽型混合表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率随高度h的变化曲线。由图4可见，所述槽型混合光波导的表面等离子激元模式的有效折射率随高度h增大而增大。

[0038] 图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述槽型混合表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随高度h的变化曲线。由图5可见，所述槽型混合光波导的表面等离子激元模式的传输距离在数十微米量级，且随高度h的增大先减小后增大。

[0039] 图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述槽型混合表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的归一化有效模场面积随高度h的变化曲线。由图6可见，所述槽型混合光波导的表面等离子激元模式的模场面积随高度h的增大先减小后增大。同时由图可知归一化有效模场面积仍然很小，且远小于1，说明所述槽型混合光波导具有亚波长的模场限制能力。

[0040] 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。