[發明專利]一種長傳輸距離Tamm等離激元脊形波導

有效

• 申請號: 202010629823.6
• 申請日: 2020-07-03
• 公開（公告）號: CN111880260B
• 公開（公告）日: 2022-08-30
• 發明（設計）人: 陸云清;蘇寧杰;許炯;許吉;王瑾
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 姚姣陽

一種長傳輸距離Tamm等離激元脊形波導，包括襯底以及設置于襯底上的脊形波導結構；脊形波導結構由貴金屬層以及光子晶體組成，光子晶體設置于襯底與貴金屬層二者之間；光子晶體為多層結構、由自上而下交替層疊設置的高折射率介質層及低折射率介質層組成。本發明所提出的一種長傳輸距離Tamm等離激元脊形波導，結構緊湊、布局合理，不僅有利于波導使用過程中的光子集成，而且充分地提升了Tamm等離激元模式的傳輸距離。

技術領域

本發明為一種脊形波導，具體涉及一種可應用于高密度光子集成、全光網絡等各項技術中的長傳輸距離Tamm等離激元脊形波導，屬于微納光子學領域。

背景技術

電磁表面波是一種被束縛在介質界面上的特殊電磁波，最著名的電磁表面波莫過于在介質-金屬界面上激發的表面等離激元(Surface plasmon polaritons，SPPs)，它的本質就是在介質-金屬界面上光和金屬表面的自由電子互相作用而激發并耦合電荷密度起伏的電磁振蕩，具有近場增強、表面受限、短波長等特性，能夠突破衍射極限，是目前實現全光集成的方法之一。SPPs可以根據模式傳播特性分成兩大類：一種是場強局域在金屬粒子表面，因為尺寸受限而無法在界面上傳播的表面等離激元，即局域型表面等離激元（Localized Surface Plasmon Polariton，LSPP）；還有一種是可以沿金屬-介質界面傳播的傳導型表面等離激元（Propagating Surface Plasmon Polariton，PSPP）。

全光集成是微納光子學的重要發展方向，其中高性能微納光子器件的設計和集成是關鍵問題之一，要求單元器件的尺寸越來越小, 器件的空間距離也越來越小, 并且能夠在納米尺度實現超衍射極限的光學調控。納米光波導是光集成電路中有效連接各種光子學器件和單元的重要元件，近年來多種納米光波導結構被提出，例如：具有較大折射率差的硅脊介質波導、基于光子晶體結構的介質波導、表面等離激元光波導等。由于SPPs能夠突破衍射極限的特性，基于SPPs的各種表面等離激元光波導則能提供更緊密的束縛效果，如條型波導、絕緣體-金屬-絕緣體(MIM)波導、橫向槽型波導、楔形波導等。雖然表面等離激元光波導具有較好的光場約束能力，然而由于歐姆損耗的存在，傳輸損耗較大，傳輸距離通常也只有幾微米。

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（Hybrid PlasmonicWaveguide, HPW）。混合等離激元波導的關鍵在于“混合”，即利用金屬－介質界面形成的表面等離激元以及高低折射率差介質間電場不連續形成的傳導模式混合成一種新的模式。此時，光場局限在中間的低折射率介質層得到明顯增強，同時使得金屬吸收小、傳輸距離增長。但是，由于SPPs對于入射光偏振態具有依賴性，只有TM偏振光才能有效激發SPPs，因此表面等離激元波導以及混合表面等離激元波導都對入射光偏振態具有依賴性。

光學Tamm態(Optic Tamm states, OTS)是一種新型的無耗散局域界面模式，是一種由半導體超晶格中的電子Tamm態類比而來的光學局域態。目前能夠激發OTS的結構主要有兩種，一維光子晶體異質結結構和金屬-分布式布拉格反射鏡(Distributed BraggReflector，DBR)結構。在一維光子晶體異質結中，電磁波不是由于全內反射被束縛在表面，而是由于光子晶體存在的光子禁帶被禁錮在界面上，形成局域的場增強。在金屬-DBR結構中，由于OTS的激發頻率位于DBR禁帶的中心頻率附近且低于金屬等離子體頻率，因此DBR中的布洛赫波以倏逝波的形式存在，電磁波被限制在金屬和DBR的界面上，類似于SPPs，這種類型的OTS，被稱為Tamm等離激元(Tamm Plasmon Polaritons，TPPs)。