[發明專利]一種混合狹縫光波導

無效

• 申請號: 201210041959.0
• 申請日: 2012-02-22
• 公開（公告）號: CN102608700A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 鄭錚;卞宇生;趙欣;蘇亞林;劉磊;劉建勝
• 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，具體涉及一種混合狹縫光波導。

背景技術

傳統的介質光波導通常以高折射率材料作為波導芯，以低折射率材料作為被覆層，光場主要集中在高折射率材料構成的波導芯中傳輸。由于受衍射極限的影響，其尺寸往往相對較大。于2004年首次提出的介質狹縫光波導則可以實現在納米級尺寸的低折射率介質中進行光信號的傳輸，突破了傳統光波導尺寸的限制。該類波導由緊鄰的高折射率介質區域組成，高折射率介質區域的中間為低折射率介質區。其工作原理是利用在不同介電常數材料界面上電場分量的不連續，且其大小與材料介電系數的平方成反比。利用電場分布的不連續性，低折射率材料中的光場分布密度將大大高于鄰近的高折射率區域的電場分布密度，從而實現光場在低折射率材料中的傳輸和限制。

另一方面，表面等離子激元光波導技術近年來吸引了國內外專家學者的廣泛關注，并已成為納米光子學的新興研究領域。表面等離子激元是金屬表面自由電子與入射光子相互耦合形成的非輻射電磁模式，它是局域在金屬和介質表面傳播的一種混合激發態。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。表面等離子激元波導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，并產生顯著的場增強效應。目前表面等離子激元光波導正以其獨特的模場限制能力、較長的傳輸距離，以及可以同時傳輸光電訊號、可調控等獨特的優勢在納米光子學領域顯示出巨大的潛力，并已在納米光子芯片、調制器、耦合器和開關、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用前景。

混合型波導則是目前表面等離子激元光波導領域的一大研究熱點。這類波導所基于的混合概念為傳統介質波導與表面等離子激元現象的結合提供了新的途徑。介質模式和表面等離子激元模式之間的高效耦合所產生的混合型模式可以將光場約束到高折射率介質層和金屬界面之間的低折射率介質狹縫中傳輸，同時保持較低的傳輸損耗。這一概念的提出在一定程度上解決了傳統表面等離子激元光波導的缺陷，有效地平衡了傳輸損耗和模場限制能力。

本發明則進一步將這一混合思想應用到介質狹縫波導領域，提出了一種混合狹縫光波導結構。該波導保持了經典混合波導較強的模場束縛特性，同時進一步降低了傳輸損耗，且其與介質狹縫波導的加工工藝相匹配，可用于構建各類無源及有源光子器件并可在非線性、光調制、光鑷等領域中有廣泛的應用。

發明內容

本發明的目的是將混合思想與介質狹縫思想相結合，提出一種混合狹縫光波導結構。

本發明提供了一種混合狹縫光波導，其橫截面包括基底層、位于基底層上一種混合狹縫光波導，其橫截面包括基底層、位于基底層上的高折射率介質層、位于高折射率介質層上從左到右依次排列的高折射率介質區、包覆有低折射率介質層的金屬區和高折射率介質區、以及包層；其中包覆有低折射率介質層的金屬區位于兩個高折射率介質區之間且與兩個高折射率介質區互不接觸，金屬區的寬度為所傳輸的光信號的波長的0.01-0.1倍，其高度為所傳輸的光信號的波長的0.01-0.1倍，金屬區和低折射率介質層共同構成的區域的外輪廓的寬度為所傳輸的光信號的波長的0.012-0.126倍，其高度為所傳輸的光信號的波長的0.012-0.126倍，且金屬區和低折射率介質層共同構成的區域的外輪廓的寬度和高度分別大于金屬區的的寬度和高度；位于基底層上的高折射率介質層的高度為所傳輸的光信號的波長的0.006-0.06倍；所述結構中位于高折射率介質層上的左、右兩個高折射率介質區的寬度為所傳輸光信號的波長的0.03-0.3倍，高度為所傳輸的光信號的波長的0.03-0.3倍，且兩個高折射率介質區的高度大于金屬區和低折射率介質層共同構成的區域的外輪廓的高度；左側的高折射率介質區的右邊緣距金屬區和低折射率介質層共同構成的區域的外輪廓的左邊緣的最小寬度為所傳輸的光信號的波長的0.001-0.03倍，右側的高折射率介質區的左邊緣距金屬區和低折射率介質層共同構成的區域的外輪廓的右邊緣的最小寬度為所傳輸的光信號的波長的0.001-0.03倍。

所述混合狹縫光波導結構中金屬區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。