[發(fā)明專(zhuān)利]一種基于雙層金屬的低損耗表面等離子激元光波導(dǎo)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210057132.9
• 申請(qǐng)日: 2012-03-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102565938A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-07-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭錚;卞宇生;趙欣;蘇亞林;劉磊;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
• 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，具體涉及一種基于雙層金屬的低損耗表面等離子激元光波導(dǎo)。

背景技術(shù)

表面等離子激元光波導(dǎo)技術(shù)目前已成為納米光子學(xué)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一。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(zhì)表面?zhèn)鞑サ囊环N混合激發(fā)態(tài)。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。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。

傳統(tǒng)的表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要分為介質(zhì)/金屬/介質(zhì)型波導(dǎo)和金屬/介質(zhì)/金屬型波導(dǎo)。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(chǎng)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(chǎng)限制能力，但其傳輸損耗太大，導(dǎo)致其無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光信號(hào)的傳輸。

本發(fā)明則提出了一種低損耗的金屬/介質(zhì)/金屬型表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)金屬/介質(zhì)/金屬型波導(dǎo)中采用單一均勻的介質(zhì)層，而所提波導(dǎo)中的介質(zhì)層則由高、低折射率介質(zhì)材料所組成。整個(gè)波導(dǎo)的設(shè)計(jì)借鑒了混合波導(dǎo)的概念，高折射率介質(zhì)與金屬層之間利用低折射率介質(zhì)作為緩沖層來(lái)填充。該波導(dǎo)保持了金屬/介質(zhì)/金屬型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)模場(chǎng)限制能力，同時(shí)混合波導(dǎo)設(shè)計(jì)思想有利于進(jìn)一步降低損耗。所提波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與平面加工工藝相匹配，可作為構(gòu)建集成光子器件和光子芯片的基礎(chǔ)元件。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是進(jìn)一步降低傳統(tǒng)金屬/介質(zhì)/金屬型波導(dǎo)的傳輸損耗，提出一種基于雙層金屬的低損耗表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明提供了一種基于雙層金屬的低損耗表面等離子激元光波導(dǎo)，其橫截面包括基底層、位于基底層上的金屬層、位于金屬層上的低折射率介質(zhì)層、嵌于低折射率介質(zhì)層中的高折射率介質(zhì)區(qū)域、位于低折射率介質(zhì)層上的金屬層以及包層；其中，位于基底層上的金屬層、低折射率介質(zhì)層以及位于低折射率介質(zhì)層上的金屬層的寬度相等且為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的0.09-0.5倍，位于基底層上的金屬層的高度和位于低折射率介質(zhì)層上的金屬層的高度為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的0.006-0.13倍；低折射率介質(zhì)層的高度為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的0.009-0.3倍；嵌于低折射率介質(zhì)層中的高折射率介質(zhì)區(qū)域的寬度為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的0.03-0.5倍，且不大于低折射率介質(zhì)層的寬度，高度為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的0.003-0.29倍，且小于低折射率介質(zhì)層的高度，高折射率介質(zhì)區(qū)域與位于基底層上的金屬層以及位于低折射率介質(zhì)層上的金屬層不相接觸；位于基底層上的金屬層和位于低折射率介質(zhì)層上的金屬層的材料為相同或不同材料，嵌于低折射率介質(zhì)層中的高折射率介質(zhì)區(qū)域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嵌于低折射率介質(zhì)層中的高折射率介質(zhì)區(qū)域的材料折射率的最小值的比值小于0.75；所述結(jié)構(gòu)中位于基底層上的金屬層、低折射率介質(zhì)層以及位于低折射率介質(zhì)層上的金屬層的截面的形狀為矩形。

所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的金屬層的材料為能產(chǎn)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(gòu)成的復(fù)合材料。

所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中嵌于低折射率介質(zhì)層中的高折射率介質(zhì)區(qū)域的截面的形狀為矩形、圓形、橢圓形或梯形中的任何一種。

本發(fā)明的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(jì)的表面等離子激元光波導(dǎo)比傳統(tǒng)金屬/介質(zhì)/金屬型波導(dǎo)具備更低的傳輸損耗，且保持了亞波長(zhǎng)的模場(chǎng)限制能力。

該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中所包含的基底層上的金屬層的存在，為引入外電極提供了便利，從而使光信號(hào)和電信號(hào)的同時(shí)傳導(dǎo)成為可能，同時(shí)電信號(hào)的引入可以實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)特性的調(diào)控。

該波導(dǎo)基于的是多層平面結(jié)構(gòu)，易用現(xiàn)有的平板波導(dǎo)加工工藝實(shí)現(xiàn)，并可進(jìn)一步用于集成光子器件的設(shè)計(jì)和制作。

附圖說(shuō)明