[發明專利]一種緊湊型低損耗的圓柱形混合等離激元波導

在審

• 申請號: 201710599580.4
• 申請日: 2017-07-21
• 公開（公告）號: CN107219575A
• 公開（公告）日: 2017-09-29
• 發明（設計）人: 許吉;時楠楠;陳奕霖;劉希文;袁沐娟;陸云清;王璟
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 高玲玲

技術領域

本發明屬于光子集成領域，特別涉及一種用于光束高局域化且低損耗的圓柱形混合等離激元波導。

背景技術

表面等離激元(SPP)是指金屬表面上的自由振蕩電子與光子相互作用產生沿著金屬-介質表面傳播的橫磁偏振態的衰逝場。SPP的場分布在金屬-介質界面上為最大值，沿著界面的法線方向在金屬和介質中呈指數衰減。傳統的介質平板波導因受衍射極限的限制無法有效的將光場限制在較小的區域。而表面等離激元波導能夠有效的將光場限制在亞波長尺度的范圍內，且其獨特的局域場增強效應，在納米光子學領域將發揮重要作用。這種微型化的實現，使得SPP波能夠用于制作微納尺度量級的光子器件，且有助于光電集成器件的高度小型化。

近十年來，尤其在光子集成領域，人們已經相繼提出眾多可以將光場限制在納米尺度的SP波導結構，如介質-金屬-介質波導結構，金屬-介質-金屬波導結構，金屬縫結構，V槽波導結構等。然而，這些SP波導因結構中含有介電常數為負數的金屬材料，因此傳輸過程中損耗很大，導致光的傳輸相對較短。其中金屬-介質-金屬型光波導具有很強的模場限制能力，但傳輸損耗太大，導致其無法實現長距離傳輸。另一方面，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。

針對傳統表面等離激元光波導的模場限制能力和傳輸損耗之間的矛盾，2007年，加拿大多倫多大學的Alam等人第一次提出混合等離激元波導，在金屬平板上依次為低折射率介質材料和高折射率介質材料，周圍為空氣包層。當光從左側垂直進入結構時，光場被很好的限制在低折射率介質層中。這是因為金屬和介質界面傳播的SP模式和介質波導中的模式相互耦合產生了一種更強的模式，其對光場具有更強的約束作用。盡管損耗較大，但傳播距離大大增加。加州大學伯克利分校的張翔研究小組提出了一種混合型表面等離激元光波導，他們的研究發現在低折射率介質和金屬表面的附近添加一個高折射率介質層，可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，同時保持較低的傳播損耗。

發明內容

本發明的目的是提高傳統混合型等離激元波導的特性，提出一種具有強場限制能力和低傳輸損耗的圓柱形混合等離激元波導結構。

為了實現強場限制能力和低傳輸損耗的目的，本發明采用以下技術方案：一種緊湊型低損耗的圓柱形混合等離激元波導，所述混合等離激元波導是由A、B與C三種材料由內向外逐層構成的三層同軸圓柱形結構。

進一步的，A、B與C三種材料分別采用高折射率介質、低折射率介質與金屬，芯層半徑為r₁，低折射率介質層外半徑為r₂，金屬層外半徑為r₃。

進一步的，高折射率介質和低折射率介質分別為Si和SiO₂，其中Si的折射率為3.445，SiO₂的折射率為1.46。

進一步的，金屬為金、銀、鋁或銅。

進一步的，波導結構的尺寸與工作波長λ為同一量級，但小于工作波長。

進一步的，高折射率介質區域r₁為工作波長的0.07～0.16倍。

進一步的，低折射率介質區域r₂-r₁為工作波長波長的0.008～0.1倍。

圓柱混合型波導結構對應的芯層半徑為r₁，金屬層內半徑為r₂，金屬層外半徑為r₃，其中位于高折射率介質和貴金屬之間的低折射率介質部分的寬度為r₂-r₁。所對應的高折射率介質、低折射率介質與貴金屬分別為Si、SiO₂與金屬，金屬為金、銀、鋁或銅。在一定的工作波段，當光垂直進入結構時，光場被很好的限制在低折射率介質SiO₂層中。這是因為金屬和介質界面傳播的SP模式和介質波導中的模式相互耦合產生了一種更強的模式，其對光場具有更強的約束作用，同時在結構依然緊湊的情況下，具有低損耗長傳播距離的特性。

圓柱形混合等離激元波導的模式有效折射率n_eff由有限元法的模式分析直接求出。通過基于有限元算法的COMSOL Multiphysics，使用射頻(RF)模塊中的模式分析和頻率分析，得到圓柱形混合等離激元波導結構中一系列的模式特性及傳輸特性。

由于柱對稱的結構，支持的偏振模式更多，無論是線偏振光還是徑向偏振光。