[發明專利]一種低損耗表面等離子激元光波導

無效

• 申請號: 201110108305.0
• 申請日: 2011-04-28
• 公開（公告）號: CN102169206A
• 公開（公告）日: 2011-08-31
• 發明（設計）人: 鄭錚;蘇亞林;卞宇生;劉婭
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及光波導技術領域，具體涉及一種低損耗表面等離子激元光波導。

背景技術

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界面附近，其場強在界面處達到最大，且在界面兩側均沿垂直于界面的方向呈指數式衰減。表面等離子激元具有較強的場限制特性，可以將場能量約束在空間尺寸遠小于其自由空間傳輸波長的區域，且其性質可隨金屬表面結構變化而改變。在適當的金屬與介質組成的表面等離子激元光波導結構中，橫向光場分布可被限制在幾十納米甚至更小的范圍內，能夠超過衍射極限的限制。表面等離子激元已在納米光子學領域中顯示出巨大的應用潛力，并為實現高集成度納米光子芯片提供了可能。

模場限制能力和傳輸損耗是表征表面等離子激元光波導模式特性的兩個重要參數。傳統的表面等離子激元光波導主要包括金屬/介質/金屬型和介質/金屬/介質型兩類結構。其中，介質/金屬/介質型光波導傳輸損耗較低，但較差的模場限制能力制約了其在高集成度光路中的應用；另一方面，金屬/介質/金屬型光波導具有很強的模場限制能力，但其傳輸損耗太大，導致其無法實現長距離光信號的傳輸。

解決傳統表面等離子激元光波導模場限制能力和傳輸損耗之間的矛盾，開發具有新特性的表面等離子激元光波導一直是研究人員努力的方向。在波導中引入高折射率的材料(例如半導體材料)作為介質層可以縮小波導的整體尺寸并提高模場限制能力，但是隨之引起的傳輸損耗會明顯增大。

為解決該問題，本發明在上述含有高折射率介質的表面等離子激元光波導原有結構的基礎上對其進行了改進。通過引入高、低折射率介質組成的復合結構，得到的新型表面等離子激元光波導同時具備較低傳輸損耗和較強的模場限制能力。由于低折射率介質區域可以采用空氣或其它氣體填充，該波導的傳輸損耗可以得到顯著降低，另一方面場增強效應得到進一步加強。此外由于所提波導的高折射率介質層可以采用半導體材料，因此該二維結構可與半導體平面芯片加工工藝匹配，易應用于高集成度的光波導芯片中，對于實現大規模集成光路具有十分重要的意義。

發明內容

本發明的目的是克服含有高折射率介質的表面等離子激元光波導傳輸損耗大的缺陷，提出一種同時具備低傳輸損耗和較強場限制能力的表面等離子激元光波導結構。

本發明提供了一種同時具備低傳輸損耗和強場約束能力的表面等離子激元光波導結構，其橫截面包括介質基底層、位于介質基底層上的高折射率介質區域、高折射率介質區域上方的金屬層、被高折射率介質區域和金屬層包圍的低折射率介質區域以及包層；其中，高折射率介質區域的寬度范圍為所傳輸光信號的波長的0.06-0.4倍，高度范圍為所傳輸的光信號的波長的0.06-0.4倍，低折射率介質區域上方與金屬層下方相接，且低折射率介質區域的寬度范圍為高折射率介質區域寬度的0.15-0.9倍，其高度范圍為高折射率介質區域寬度的0.15-0.9倍，金屬層的寬度大于低折射率介質區域的寬度且不大于高折射率介質區域的寬度；高折射率介質的材料折射率高于介質基底層、低折射率介質區域、以及包層的材料折射率，介質基底層的材料折射率大于1.4，介質基底層、低折射率介質區域和包層的材料可為相同材料或不同材料，介質基底層、低折射率介質區域和包層的材料折射率的最大值與高折射率介質的材料折射率的比值小于0.75。

所述結構中金屬層的材料為能產生表面等離子激元的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中的任何一種、或是各自的合金、或是上述金屬構成的復合材料。

所述結構中高折射率介質區域與低折射率介質區域共同構成的區域的截面的外輪廓形狀為正方形、矩形、或梯形中的任何一種。

所述結構中低折射率介質區域的截面的形狀為正方形、矩形、圓形、橢圓形或梯形中的任何一種。

本發明的表面等離子激元光波導具有以下優點：

1.所提表面等離子激元光波導的低折射率介質區域的材料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，也可以采用空氣及其它氣體填充，其傳輸損耗可以得到顯著降低，另一方面場增強效應得到進一步加強，傳統的基于高折射率介質的表面等離子激元光波導則無法實現這一目標。

2.所提表面等離子激元光波導與現有的基于低折射率的表面等離子激元光波導相比，其尺寸明顯縮小，提高了集成度，同時保持較低的傳輸損耗。與基于高折射率的表面等離子激元光波導相比，其傳輸損耗大大降低，同時保持了亞波長模場限制能力。