專利名稱：一種槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
作為納米光子學(xué)的新興研究領(lǐng)域，表面等離子激元光波導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)吸引了越來越多國內(nèi)外專家學(xué)者的關(guān)注。表面等離子激元是由光和金屬表面自由電子的相互作用引起的一種電磁波模式。這種模式存在于金屬與介質(zhì)界面附近，其場強(qiáng)在界面處達(dá)到最大，且在界面兩側(cè)均沿垂直于界面的方向呈指數(shù)式衰減。表面等離子激元具有較強(qiáng)的場限制特性，可以將場能量約束在空間尺寸遠(yuǎn)小于其自由空間傳輸波長的區(qū)域，且其性質(zhì)可隨金屬表面結(jié)構(gòu)變化而改變。表面等離子激元波導(dǎo)可以突破衍射極限的限制，將光場約束在幾十納米甚至更小的范圍內(nèi)，并產(chǎn)生顯著的場增強(qiáng)效應(yīng)。目前表面等離子激元光波導(dǎo)正以其獨(dú)特的模場限制能力、較長的傳輸距離，以及可以同時傳輸光電訊號、可調(diào)控等獨(dú)特的優(yōu)勢在納米光子學(xué)領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，并已在納米光子芯片、調(diào)制器、耦合器和開關(guān)、納米激光器、突破衍射極限的超分辨成像以及生物傳感器等方面有著重要的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的表面等離子激元光波導(dǎo)主要包括金屬/介質(zhì)/金屬型和介質(zhì)/金屬/介質(zhì)型兩類結(jié)構(gòu)。其中，介質(zhì)/金屬/介質(zhì)型光波導(dǎo)傳輸損耗較低，但較差的模場限制能力制約了其在高集成度光路中的應(yīng)用；另一方面，金屬/介質(zhì)/金屬型光波導(dǎo)具有很強(qiáng)的模場限制能力，但其傳輸損耗太大，導(dǎo)致其無法實(shí)現(xiàn)長距離光信號的傳輸。針對傳統(tǒng)表面等離子激元光波導(dǎo)模場限制能力和傳輸損耗之間的矛盾，加州大學(xué)伯克利分校的張翔研究小組提出了一種混合型表面等離子激元光波導(dǎo)，他們的研究發(fā)現(xiàn)在低折射率介質(zhì)/金屬表面的附近添加一個高折射率介質(zhì)層，可將光場約束到高折射率介質(zhì)層和金屬界面之間的低折射率介質(zhì)狹縫中傳輸，同時保持較低的傳輸損耗。受該混合型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，本發(fā)明為進(jìn)一步提高其模場限制能力，提出一種采用金屬槽作為基底的混合型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。該混合型波導(dǎo)可以很好的將模場限制在金屬槽和槽內(nèi)所填充的高折射率介質(zhì)之間的狹縫內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對模場的亞波長限制，同時具有較低的傳輸損耗。此波導(dǎo)可用于實(shí)現(xiàn)各類有源及無源表面等離子激元器件，對于構(gòu)建大規(guī)模集成光路具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是進(jìn)一步提高傳統(tǒng)混合型波導(dǎo)的模場限制能力，提出一種槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供了一種具有較強(qiáng)模場限制能力的槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)，其橫截面從下到上依次為金屬基底、低折射率介質(zhì)層、高折射率介質(zhì)區(qū)和包層；金屬基底在與低折射率介質(zhì)層相接的區(qū)域的外輪廓呈“V”字形，且金屬基底“V”字形區(qū)域的高度范圍為所傳輸光信號的波長的0. 12-0. 65倍；低折射率介質(zhì)層與金屬基底相接的區(qū)域的外輪廓以及低折射率介質(zhì)層與高折射率介質(zhì)區(qū)相接的區(qū)域的外輪廓均呈“V”字形，低折射率介質(zhì)層的厚度均勻，其厚度范圍為所傳輸光信號的波長的0. 06-0. 4倍，金屬基底“V”字形區(qū)域中心的外頂角和高折射率介質(zhì)區(qū)底部的內(nèi)頂角相等，其角度范圍大于0度且小于180度；高折射率介質(zhì)區(qū)的材料折射率高于低折射率介質(zhì)層以及包層的材料折射率，低折射率介質(zhì)層和包層的材料可為相同材料或不同材料，低折射率介質(zhì)層和包層的材料折射率的最大值與高折射率介質(zhì)區(qū)的材料折射率的比值小于0. 75。所述結(jié)構(gòu)中金屬基底“V”字形區(qū)域的中心和高折射率介質(zhì)區(qū)的底部均有倒角，且金屬基底“V”字形區(qū)域中心的倒角大于高折射率介質(zhì)區(qū)底部的倒角，兩倒角曲率半徑之差等于低折射率介質(zhì)層的厚度。所述結(jié)構(gòu)中金屬基底的材料為能產(chǎn)生表面等離子激元的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、 鈀中的任何一種、或是各自的合金、或是上述金屬構(gòu)成的復(fù)合材料。本發(fā)明的槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所設(shè)計的槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)可以將光場較好的限制在納米級的低折射率介質(zhì)槽中，同時具有較低的傳輸損耗。與其他類似混合型表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相比，該二維結(jié)構(gòu)更易于加工，易應(yīng)用于高集成度的光波導(dǎo)芯片中。


圖1是槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。區(qū)域1為金屬基底，“V”字形區(qū)域的高度為h，“V”字形區(qū)域中心的外頂角為θ，“V”字形區(qū)域中心的倒角半徑為d+r ； 區(qū)域2為低折射率介質(zhì)層，其厚度為d;區(qū)域3為高折射率介質(zhì)區(qū)，其底部的內(nèi)頂角為θ，底部的倒角半徑為r ；區(qū)域4為包層。圖2是實(shí)例所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為金屬基底，“V” 字形區(qū)域的高度為h，“V”字形區(qū)域中心的外頂角為θ，“V”字形區(qū)域中心的倒角半徑為 d+r，nm為其折射率；202為低折射率介質(zhì)層，其厚度為d，H1為其折射率；203為高折射率介質(zhì)區(qū)，其底部的內(nèi)頂角為θ，底部的倒角半徑為r，nh為其折射率；區(qū)域4為包層，η。為其折射率。圖3是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實(shí)例所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)的所支持的表面等離子激元模式光場的電場強(qiáng)度沿X軸方向的分布曲線。圖4是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實(shí)例所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的有效折射率隨高度h的變化曲線。圖5是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實(shí)例所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的傳輸距離隨高度h的變化曲線圖6是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實(shí)例所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的歸一化有效模場面積隨高度h的變化曲線。
具體實(shí)施例方式表面等離子波的模式特性是表征表面等離子激元光波導(dǎo)的重要指標(biāo)。其中模式特性參數(shù)主要包括有效折射率實(shí)部、傳輸距離和歸一化有效模場面積。傳輸距離L定義為任一界面上電場強(qiáng)度衰減為起始值Ι/e時的距離，其表達(dá)式為L= λ / [4 π Im (neff) ] (1)其中Im(nrff)為模式有效折射率的虛部，λ為傳輸光信號的波長。有效模場面積的計算表達(dá)式如下Aeff = ( / / ff(r) dxdy)2/ f f ff(r)2dxdy (2)其中，Arff為有效模場面積，W(r)為表面等離子波的能流密度，其定義式為W(r) = 0. 5Re{d[co ε (r)]/dco} |E(r) |2+0· 5μ 0|H(r) I2 (3)其中，Re表示取實(shí)部，E(r)為表面等離子波的電場，H(r)為表面等離子波的磁場， ε (r)為電導(dǎo)率，l·^為真空磁導(dǎo)率。歸一化有效模場面積為( 式計算得到的有效模場面積與衍射極限小孔面積之比。衍射極限小孔的面積定義如下A0 = λ 2/4 (4)其中，Atl為衍射極限小孔面積，λ為傳輸光信號的波長。因此，歸一化有效模場面積A為A = Aeff/A0 (5)歸一化有效模場面積的大小表征模式的模場限制能力，該值小于1的情形對應(yīng)亞波長的尺寸約束。實(shí)例圖2是實(shí)例所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為金屬基底，“V” 字形區(qū)域的高度為h，“V”字形區(qū)域中心的外頂角為θ，“V”字形區(qū)域中心的倒角半徑為 d+r，nm為其折射率；202為低折射率介質(zhì)層，其厚度為d，H1為其折射率；203為高折射率介質(zhì)區(qū)，其底部的內(nèi)頂角為θ，底部的倒角半徑為r，nh為其折射率；區(qū)域4為包層，η。為其折射率。在本實(shí)例中，傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL選定為1. 55 μ m，201的材料為銀，在1. 55 μ m波長處的折射率為0. 1453+i*ll. 3587 ；203的材料設(shè)為二氧化硅，其折射率為1. 5 ；203的材料設(shè)為硅，其折射率為3. 5 ；204的材料設(shè)為二氧化硅，其折射率為1. 5。在本實(shí)例中，201的“V”字形區(qū)域中心的外頂角和203底部的內(nèi)頂角θ = 25度； 201的“V”字形區(qū)域的高度h的取值范圍為190nm-1000nm ；202的厚度d = 20nm ；倒角半徑 r = IOnm, d+r = 30nmo使用全矢量有限元方法對本實(shí)施例中的上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，計算得到 1. 55 μ m波長處表面等離子激元模式的模場分布及模式特性。圖3是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實(shí)例所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)的所支持的表面等離子激元模式光場的電場強(qiáng)度沿X軸方向的分布曲線，其中h為500nm。 由圖3可見，所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)光場的電場強(qiáng)度曲線在低折射率介質(zhì)區(qū)域內(nèi)有明顯的場增強(qiáng)效應(yīng)。圖4是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實(shí)例所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的有效折射率隨高度h的變化曲線。由圖4可見，所述槽型混合光波導(dǎo)的表面等離子激元模式的有效折射率隨高度h增大而增大。圖5是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實(shí)例所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的傳輸距離隨高度h的變化曲線。由圖5可見，所述槽型混合光波導(dǎo)的表面等離子激元模式的傳輸距離在數(shù)十微米量級，且隨高度h的增大先減小后增大。圖6是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實(shí)例所述槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的歸一化有效模場面積隨高度h的變化曲線。由圖6可見， 所述槽型混合光波導(dǎo)的表面等離子激元模式的模場面積隨高度h的增大先減小后增大。同時由圖可知?dú)w一化有效模場面積仍然很小，且遠(yuǎn)小于1，說明所述槽型混合光波導(dǎo)具有亞波長的模場限制能力。最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中的實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明提供了一種具有較強(qiáng)模場限制能力的槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)，其橫截面從下到上依次為金屬基底、低折射率介質(zhì)層、高折射率介質(zhì)區(qū)和包層；金屬基底在與低折射率介質(zhì)層相接的區(qū)域的外輪廓呈“V”字形，且金屬基底“V”字形區(qū)域的高度范圍為所傳輸光信號的波長的0. 12-0. 65倍；低折射率介質(zhì)層與金屬基底相接的區(qū)域的外輪廓以及低折射率介質(zhì)層與高折射率介質(zhì)區(qū)相接的區(qū)域的外輪廓均呈“V”字形，低折射率介質(zhì)層的厚度均勻，其厚度范圍為所傳輸光信號的波長的0. 06-0. 4倍，金屬基底“V”字形區(qū)域中心的外頂角和高折射率介質(zhì)區(qū)底部的內(nèi)頂角相等，其角度范圍大于0度且小于180度；高折射率介質(zhì)區(qū)的材料折射率高于低折射率介質(zhì)層以及包層的材料折射率，低折射率介質(zhì)層和包層的材料可為相同材料或不同材料，低折射率介質(zhì)層和包層的材料折射率的最大值與高折射率介質(zhì)區(qū)的材料折射率的比值小于0. 75。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中金屬基底“V”字形區(qū)域的中心和高折射率介質(zhì)區(qū)的底部均有倒角，且金屬基底“V”字形區(qū)域中心的倒角大于高折射率介質(zhì)區(qū)底部的倒角，兩倒角曲率半徑之差等于低折射率介質(zhì)層的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中金屬基底的材料為能產(chǎn)生表面等離子激元的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種、或是各自的合金、或是上述金屬構(gòu)成的復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有較強(qiáng)模場限制能力的槽型混合表面等離子激元光波導(dǎo)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面包括“V”字形金屬基底(1)、低折射率介質(zhì)層(2)、高折射率介質(zhì)區(qū)(3)以及包層(4)?！癡”字形金屬基底和高折射率介質(zhì)區(qū)的存在，使得大部分光場能夠被限制在納米級的“V”字形低折射率介質(zhì)槽中，同時具有較低的傳輸損耗。此結(jié)構(gòu)易于加工，可應(yīng)用于構(gòu)建高集成度的光波導(dǎo)器件和芯片。
文檔編號G02B6/122GK102565934SQ201210011869
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者劉建勝, 劉磊, 卞宇生, 蘇亞林, 趙欣, 鄭錚 申請人:北京航空航天大學(xué)