[發明專利]一種楔型表面等離子體波導

無效

• 申請號: 201410180732.3
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103955022A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 陳明;童秀倩;李海鷗;尚軍萍;陳輝
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 桂林市持衡專利商標事務所有限公司 45107
• 代理人: 歐陽波

技術領域

本發明屬于納米光子學領域中的一種波導，具體涉及一種楔型表面等離子體波導。

背景技術

近年來，傳統介質集成光學器件的發展受到了衍射極限的限制，小型化集成化方面遇到了瓶頸，但是表面等離子體波可以把光限制在納米尺寸，因此，利用表面等離子體波來實現亞波長器件成了研究熱點。

表面等離子體波是慢波，跟常規介質的波相比，具有較大的相速度，更短的波長，更高的動量，更高的波阻抗，然而金屬的介電常數在光波波段是負數，其虛部表示金屬吸收光的能力，這種結構是以損耗為代價的，其限制性和損耗是一對永恒的矛盾，限制性越強，必然引起較大的損耗，較大的模斑面積可以減少損耗。因此，如何在限制性和損耗之間找到一個很好的平衡點是表面等離子體波導設計需要考慮的問題。而限制性和損耗分別由模場面積和傳播距離體現。但在之前的研究中，一些研究者片面追求傳播距離，而忽視了有效模場面積，較大的模場面積會導致波導在應用中可能導致光子集成電路集成度不高，導致相鄰信道間出現串擾。

單楔型表面等離子體波導是近年出現的一種表面等離子體波導，在長條的金屬基底上有一長度與基底相同的、截面為三角形的金屬楔，所用金屬為低損耗金屬，即該金屬材料的介電常數具有一個大的負實部和小的虛部。單楔型表面等離子體波導的優點是可以把能量限制在三角楔的頂角部分，但其片面的追求傳播距離，忽略了有效模場面積，最終導致模場面積大，相鄰信道間容易產生串擾，為了避免串擾，則需要增大器件尺寸，故會降低光子集成電路的集成度。

發明內容

本發明的目的是設計一種改進的楔型表面等離子體波導，在原有單楔型表面等離子體波導的尖端上覆蓋一層介質層。相比于傳統的單楔型表面等離子體波導，極大的減小了有效模場面積，為光子集成電路的微型化和集成化提供了可能。

本發明設計的一種楔型表面等離子體波導包括長條的金屬基底和其上的長度與基底相同的、橫截面為三角形的金屬楔，所述金屬基底和金屬楔為低損耗金屬材料制作，其特征在于所述金屬楔的尖端附著介質層。介質層外部為真空包圍，即該波導置于真空環境中。

所述金屬楔橫截面的三角形的三個角均為銳角。優選方案的金屬楔頂部尖端角度為30～40度。

所述低損耗金屬材料為銀、銅、金、鋁中的任一種。最優選擇金屬材料為銀。

所述介質層為二氧化硅、或硅、或氟化鎂。

所述介質層附著于金屬楔兩側面，金屬楔兩側面上附著的介質層外表面為平面，介質層外表面的交角小于金屬楔尖端的角度θ，金屬楔兩側面上的介質層由上至下逐漸減薄。

所述金屬楔的高度h，即金屬楔尖端至金屬基底表面的垂直距離，h≥1.3μm。

所述金屬楔尖端的介質層厚度為T_h，5nm≤T_h≤500nm。

本發明的有益效果是：1、等同條件的本發明楔型表面等離子體波導與單楔型表面等離子體波導相比，雖然傳播距離減小10％，但有效模場面積可減小90％以上，有效提高了表面等離子體波的傳播距離和有效模場面積之間的比值，最終品質因數提高了一個數量級；2、實現表面等離子體波導導光功能的同時，有效地減少信道間串擾，有利于光子電路的微型化和提高集成度；3、波導結構簡單，易于實施。

附圖說明

圖1為本楔型表面等離子體波導實施例的橫向剖面圖。

圖中標號為：

1、金屬基底，2、金屬楔，3、介質層，4、真空環境；

h為金屬層楔型尖端的高度，

θ為金屬楔尖端的角度，

T_h為金屬楔尖端介質層的厚度。

具體實施方式

下面結合附圖及實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

本楔型表面等離子體波導實施例如圖1所示，金屬基底1和其上的金屬楔2為金屬銀制成，相對介電常數ε_metal＝-129+3.3i，介質層2為二氧化硅，相對介電常數ε_d＝2.25，真空環境的相對介電常數ε_air＝1。本例金屬楔2尖端的高h＝2μm，金屬楔2尖端角度θ＝40°，本例二底角相等，也可為不等的銳角。金屬楔尖端附著的介質層3厚度為T_h＝5nm，所述介質層3附著于金屬楔2兩側面，介質層3由上至下逐漸減薄，至金屬基底1的表面介質層厚度減為0，金屬楔2兩側面上的介質層3外表面為平面。