[發(fā)明專(zhuān)利]一種表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210055918.7
• 申請(qǐng)日: 2012-03-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102590939A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭錚;卞宇生;趙欣;劉磊;蘇亞林;劉建勝
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G02B6/122
• 分類(lèi)號(hào): G02B6/122;G02B6/10
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)。

背景技術(shù)

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(chǎng)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(chǎng)限制特性，可以將場(chǎng)能量約束在空間尺寸遠(yuǎn)小于其自由空間傳輸波長(zhǎng)的區(qū)域，且其性質(zhì)可隨金屬表面結(jié)構(gòu)變化而改變。

作為目前熱門(mén)的表面等離子激元的重要研究方向之一，表面等離子激元光子波導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者競(jìng)相追逐的研究熱點(diǎn)。表面等離子激元波導(dǎo)可以突破衍射極限的限制，將光場(chǎng)約束在幾十納米甚至更小的范圍內(nèi)，并產(chǎn)生顯著的場(chǎng)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(chǎng)限制能力、較長(zhǎng)的傳輸距離，以及可以同時(shí)傳輸光電訊號(hào)、可調(diào)控等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)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(kāi)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。

作為經(jīng)典的表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之一，金屬/介質(zhì)/金屬型波導(dǎo)具有很強(qiáng)的模場(chǎng)限制能力。目前已有的金屬/介質(zhì)/金屬型波導(dǎo)主要包括平板金屬狹縫波導(dǎo)、U型和V型槽波導(dǎo)等。本發(fā)明的波導(dǎo)是在V型槽波導(dǎo)基礎(chǔ)的改進(jìn)。在V型槽內(nèi)填充介質(zhì)層，并在其中嵌入一個(gè)金屬區(qū)域，由此形成的新結(jié)構(gòu)可將光場(chǎng)明顯地限制在金屬區(qū)域和金屬V型槽之間的狹縫區(qū)域中。該波導(dǎo)可以同時(shí)對(duì)兩種模式的光實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的模場(chǎng)限制。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)模場(chǎng)限制的表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其橫截面從下到上依次為金屬基底、介質(zhì)區(qū)域、嵌于介質(zhì)區(qū)域中的金屬區(qū)域以及包層；金屬基底在與介質(zhì)區(qū)域相接的區(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(hào)的波長(zhǎng)的0.12-0.65倍，金屬基底“V”字形區(qū)域中心的外頂角的角度大于5度且小于180度；介質(zhì)區(qū)域上表面和兩側(cè)均與金屬基底相接，其上表面與包層相接，介質(zhì)區(qū)域底部中心的內(nèi)頂角與金屬基底“V”字形區(qū)域中心的外頂角相等；嵌于介質(zhì)區(qū)域中的金屬區(qū)域與金屬基底不相接觸，金屬區(qū)域的最大寬度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的0.01-2倍，且小于介質(zhì)區(qū)域的最大寬度，金屬區(qū)域的最大高度為所傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)的0.1-0.6倍，且小于介質(zhì)區(qū)域的最大高度；金屬基底和金屬區(qū)域?yàn)橄嗤牧匣虿煌牧希唤橘|(zhì)區(qū)域和包層為相同材料或不同材料。

所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中金屬基底和嵌于介質(zhì)區(qū)域中的金屬區(qū)域的材料為能產(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。

所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中嵌于介質(zhì)區(qū)域中的金屬區(qū)域的截面的形狀為三角形、矩形、梯形、圓形、橢圓形、五邊形或六邊形中的任何一種。

本發(fā)明的表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明所設(shè)計(jì)的表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)可以同時(shí)對(duì)兩種模式實(shí)現(xiàn)很強(qiáng)的模場(chǎng)限制，且保持亞波長(zhǎng)的模場(chǎng)面積。

該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有平面波導(dǎo)的加工工藝相匹配。

附圖說(shuō)明

圖1是表面等離子激元狹縫光波導(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；區(qū)域2為介質(zhì)區(qū)域，其底部的內(nèi)頂角為θ；區(qū)域3為嵌于介質(zhì)區(qū)域中的金屬區(qū)域，其寬度為w₃，高度為h₃，區(qū)域3上表面到包層下表面的最小距離為h₃₄，區(qū)域3下表面到金屬基底區(qū)域“V”字形區(qū)域中心上表面的最小距離為h₃₁，區(qū)域3左側(cè)到金屬基底區(qū)域“V”字形區(qū)域的右表面的最小距離為d_31l，區(qū)域3右側(cè)到金屬基底區(qū)域“V”字形區(qū)域的左表面的最小距離為d_31r；區(qū)域4為包層。

圖2是實(shí)例1所述表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為金屬基底，其外頂角為θ，h為其高度，n_m為其折射率；202為呈“V”字形的介質(zhì)區(qū)域，其厚度均勻，d為其厚度，202底部的內(nèi)頂角為θ，n₁為其折射率；203為嵌于介質(zhì)區(qū)域中的金屬區(qū)域，其底部的內(nèi)頂角也為θ，h_c為其高度，n_m為其折射率；204為包層，n_c為其折射率。