專利名稱：一種多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
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。介質(zhì)/金屬/介質(zhì)型波導(dǎo)和金屬/介質(zhì)/金屬型波導(dǎo)為兩類傳統(tǒng)的表面等離子激兀光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。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)致其無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離光信號(hào)的傳輸。針對(duì)傳統(tǒng)表面等離子激元光波導(dǎo)模場(chǎng)限制能力和傳輸損耗之間的矛盾，加州大學(xué)伯克利分校的張翔研究小組提出了一種混合型表面等離子激元光波導(dǎo)，他們的研究發(fā)現(xiàn)在低折射率介質(zhì)/金屬表面的附近添加一個(gè)高折射率介質(zhì)層，可將光場(chǎng)約束到高折射率介質(zhì)層和金屬界面之間的低折射率介質(zhì)狹縫中傳輸，同時(shí)保持較低的傳輸損耗。本發(fā)明則提出了一種具備低傳輸損耗的多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)。多層結(jié)構(gòu)中的兩個(gè)高折射率介質(zhì)層和其中間低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域之間的耦合使得傳輸光場(chǎng)能夠得到較好的限制同時(shí)保持了較低的傳輸損耗。所提多層結(jié)構(gòu)與平面加工工藝相匹配，可用于構(gòu)建各類功能性集成光子器件。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種具備亞波長(zhǎng)光場(chǎng)限制能力和低傳輸損耗的多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)，其橫截面包括基底層、位于基底層上的高折射率介質(zhì)層、位于高折射率介質(zhì)層上的低折射率介質(zhì)層、嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域、位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層以及包層；其中，位于基底層上的高折射率介質(zhì)層、低折射率介質(zhì)層以及位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層的寬度相等且為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的
O.09-0. 35倍，位于基底層上的高折射率介質(zhì)層的高度和位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層的高度為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的O. 09-0. 25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O. 009-0. 2倍；嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域的寬度為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的O. 0129-0. 35倍，且不大于低折射率介質(zhì)層的寬度，金屬區(qū)域的高度為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的O. 006-0. 19倍，且小于低折射率介質(zhì)層的高度，金屬區(qū)域與位于基底層上的高折射率介質(zhì)層以及位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層不相接觸；位于基底層上的高折射率介質(zhì)層和位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層的材料為相同或不同材料,且兩者的材料折射率均高于低折射率介質(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位于基底層上的高折射率介質(zhì)層和位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層的材料折射率的最小值的比值小于O. 75 ;所述結(jié)構(gòu)中位于基底層上的高折射率介質(zhì)層、低折射率介質(zhì)層以及位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層的截面的形狀為矩形。所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中金屬區(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)層中的金屬區(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)明的多層混合型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)的光波導(dǎo)兼具良好的模場(chǎng)限制能力和低傳輸損耗這兩大優(yōu)點(diǎn)，且在金屬區(qū)域附近的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)可被用于非線性光學(xué)、光鑷等領(lǐng)域中。該混合型波導(dǎo)所基于的多層平面結(jié)構(gòu)可與現(xiàn)有的平板波導(dǎo)的加工工藝相匹配，易實(shí)現(xiàn)，可用于構(gòu)建各類集成光器件和光子芯片。
圖I是多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。區(qū)域I為基底層，區(qū)域 2為高折射率介質(zhì)層，其高度為h2 ;區(qū)域3為低折射率介質(zhì)層，其高度為h3 ;區(qū)域4為嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域，其寬度為W4，高度為h4 ;區(qū)域5為位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層，其高度為h5 ;區(qū)域2、3、5的寬度為w ;區(qū)域4的下表面到區(qū)域2上表面的最小距離為h42，區(qū)域4的上表面到區(qū)域5下表面的距離為h45 ;區(qū)域6為包層。圖2是實(shí)例I所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。201為基底層，ns為其折射率；202為高折射率介質(zhì)層，nh為其折射率，hh為其高度；203為低折射率介質(zhì)層，H1為其折射率，hx為其高度；204為嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域，nm為其折射率，Wm為其寬度，hm為其高度；205為位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層，nh為其折射率，hh為其高度；202、203以及205的寬度為w ;204的下表面到202上表面的最小距離為 hg，204的上表面到205下表面的距離為hg ；206為包層，η。為其折射率。圖3是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例I所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的表面等離子激元模式光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。圖4是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例I所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的有效折射率、傳輸距離、歸一化有效模場(chǎng)面積以及限制因子隨金屬寬度Wm的變化曲線。圖5是實(shí)例2所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。501為基底層，ns為其折射率；502為高折射率介質(zhì)層，nh為其折射率，hh為其高度；503為低折射率介質(zhì)層，H1為其折射率，hx為其高度；504為嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域，nm為其折射率，hm為其高度；505為位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層，nh為其折射率，hh為其高度；502、503、504以及505的寬度均為w ；504的下表面到502上表面的最小距離為hg，504 的上表面到505下表面的距離為hg ；506為包層，η。為其折射率。圖6是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例2所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的表面等離子激元模式光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。圖7是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例2所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的有效折射率、傳輸距離、歸一化有效模場(chǎng)面積以及限制因子隨高度hh的變化曲線。
具體實(shí)施例方式表面等離子波的模式特性是表征表面等離子激元光波導(dǎo)的重要指標(biāo)。其中模式特性參數(shù)主要包括有效折射率實(shí)部、傳輸距離和歸一化有效模場(chǎng)面積。傳輸距離L定義為任一界面上電場(chǎng)強(qiáng)度衰減為起始值Ι/e時(shí)的距離，其表達(dá)式為L(zhǎng)=入/[4 π/ImOieiff](I)其中Im(nrff)為模式有效折射率的虛部，λ為傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)。有效模場(chǎng)面積的計(jì)算表達(dá)式如下Aeff= ( / / E(x, y) |2dxdy)2/ f I E(x, y) |4dxdy(2)其中，Aeff為有效模場(chǎng)面積，E(x,y)為表面等離子波的電場(chǎng)。歸一化有效模場(chǎng)面積為(2)式計(jì)算得到的有效模場(chǎng)面積與衍射極限小孔面積之比。衍射極限小孔的面積定義如下A0 = λ 2/4(3)其中，Atl為衍射極限小孔面積，λ為傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)。因此，歸一化有效模場(chǎng)面積A為A = Aeff/A0(4)歸一化有效模場(chǎng)面積的大小表征模式的模場(chǎng)限制能力，該值小于I的情形對(duì)應(yīng)亞波長(zhǎng)的尺寸約束。限制因子表征表面等離子激元光波導(dǎo)的場(chǎng)強(qiáng)限制能力，在此定義為低折射率介質(zhì)層中所含功率占波導(dǎo)總功率的比例。實(shí)例I :嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域?qū)挾刃∮诘驼凵渎式橘|(zhì)層的寬度圖2是實(shí)例I所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。201為基底層，ns為其折射率；202為高折射率介質(zhì)層，nh為其折射率，hh為其高度；203為低折射率介質(zhì)層，H1為其折射率，hx為其高度；204為嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域，nm為其折射率，Wm為其寬度，hm為其高度；205為位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層，nh為其折射率，hh為其高度；202、203以及205的寬度為w ;204的下表面到202上表面的最小距離為 hg，204的上表面到205下表面的距離為hg ；206為包層，η。為其折射率。在本實(shí)例中，傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)選定為I. 55 μ m，201和203的材料為二氧化硅， 其折射率為I. 5 ；204的材料為銀，在I. 55 μ m波長(zhǎng)處的折射率為O. 1453+1*11. 3587 ;202和 205的材料為硅，其折射率為3. 5 ；206的材料設(shè)為空氣，其折射率為I。在本實(shí)例中，202、203以及205的寬度w = 200nm，202和205的高度hh = 200nm ； 203的高度Ii1 = 50nm ；204的高度hm = 30nm ;距離hg = IOnm ；204的寬度Wm的取值范圍為40_160nm。使用全矢量有限元方法對(duì)本實(shí)施例中的上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，計(jì)算得到 I. 55 μ m波長(zhǎng)處該波導(dǎo)所支持的準(zhǔn)對(duì)稱表面等離子激元模式的模場(chǎng)分布及模式特性。圖3是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例I所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的表面等離子激元模式光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。由圖3可見，該模式在低折射率介質(zhì)層尤其是金屬區(qū)域附近有明顯的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。圖4是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例I所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的有效折射率、傳輸距離、歸一化有效模場(chǎng)面積以及限制因子隨金屬寬度Wm的變化曲線。由圖4(a)_(d)可見，表面等離子激元模式的有效折射率隨^增大而增大，而傳輸距離和限制因子均隨^增大而減小，模場(chǎng)面積則是先減小后增大。 在整個(gè)范圍內(nèi)，模式的傳輸距離始終保持在幾百微米，且保持深亞波長(zhǎng)的模場(chǎng)限制能力。實(shí)例2 :嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域?qū)挾扰c低折射率介質(zhì)層的寬度相等圖5是實(shí)例2所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。501為基底層，ns為其折射率；502為高折射率介質(zhì)層，nh為其折射率，hh為其高度；503為低折射率介質(zhì)層，H1為其折射率，hx為其高度；504為嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域，nm為其折射率，hm為其高度；505為位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層，nh為其折射率，hh為其高度；502、503、504以及505的寬度均為w ；504的下表面到502上表面的最小距離為hg，504 的上表面到505下表面的距離為hg ；506為包層，η。為其折射率。在本實(shí)例中，傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)選定為I. 55 μ m, 501和503的材料為二氧化娃, 其折射率為I. 5 ；504的材料為銀，在I. 55 μ m波長(zhǎng)處的折射率為O. 1453+1*11. 3587 ;502和 505的材料為硅，其折射率為3. 5 ；506的材料設(shè)為空氣，其折射率為I。在本實(shí)例中，502、503、504以及 505 的寬度 w = 200nm ；503 的高度 Ii1 = 50nm ；504 的高度hm = 30nm ;距離hg = IOnm ；502和505的高度hh的取值范圍為150_300nm。使用全矢量有限元方法對(duì)本實(shí)施例中的上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，計(jì)算得到
I.55 μ m波長(zhǎng)處該波導(dǎo)所支持的準(zhǔn)對(duì)稱表面等離子激元模式的模場(chǎng)分布及模式特性。圖6是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例2所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的表面等離子激元模式光場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。由圖6可見，該模式在金屬區(qū)域上下的低折射率介質(zhì)層附近有明顯的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。圖7是傳輸光信號(hào)的波長(zhǎng)為I. 55 μ m時(shí)實(shí)例2所述多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的有效折射率、傳輸距離、歸一化有效模場(chǎng)面積以及限制因子隨高度hh的變化曲線。由圖7(a)-(d)可見，表面等離子激元模式的有效折射率和傳輸距離隨高度hh增大而增大，而模場(chǎng)面積則是先減小后增大，限制因子先增大后減小。在整個(gè)范圍內(nèi)，模式的傳輸距離始終保持在幾百微米，且保持深亞波長(zhǎng)的模場(chǎng)限制能力。實(shí)例I和實(shí)例2的仿真結(jié)果表明，本發(fā)明所涉及的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域的寬度可小于低折射率介質(zhì)層的寬度也可與之相等。最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中的實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種具備亞波長(zhǎng)光場(chǎng)限制能力和低傳輸損耗的多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)， 其橫截面包括基底層、位于基底層上的高折射率介質(zhì)層、位于高折射率介質(zhì)層上的低折射率介質(zhì)層、嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域、位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層以及包層；其中，位于基底層上的高折射率介質(zhì)層、低折射率介質(zhì)層以及位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層的寬度相等且為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的O. 09-0. 35倍，位于基底層上的高折射率介質(zhì)層的高度和位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層的高度為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的O. 09-0. 25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O. 009-0. 2倍；嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(qū)域的寬度為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的 O. 0129-0. 35倍,且不大于低折射率介質(zhì)層的寬度,金屬區(qū)域的高度為所傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)的O. 006-0. 19倍，且小于低折射率介質(zhì)層的高度，金屬區(qū)域與位于基底層上的高折射率介質(zhì)層以及位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層不相接觸；位于基底層上的高折射率介質(zhì)層和位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層的材料為相同或不同材料，且兩者的材料折射率均高于低折射率介質(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位于基底層上的高折射率介質(zhì)層和位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層的材料折射率的最小值的比值小于O. 75 ;所述結(jié)構(gòu)中位于基底層上的高折射率介質(zhì)層、低折射率介質(zhì)層以及位于低折射率介質(zhì)層上的高折射率介質(zhì)層的截面的形狀為矩形。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(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。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中嵌于低折射率介質(zhì)層中的金屬區(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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低損耗多層混合型表面等離子激元光波導(dǎo)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面包括基底層(1)、位于基底層上的高折射率介質(zhì)層(2)、位于高折射率介質(zhì)層(2)上的低折射率介質(zhì)層(3)、嵌于低折射率介質(zhì)層(3)中的金屬區(qū)域(4)、位于低折射率介質(zhì)層(3)上的高折射率介質(zhì)層(5)以及包層(6)。兩個(gè)緊鄰的高折射率介質(zhì)層(2、5)之間的耦合可將光場(chǎng)限制在低折射率介質(zhì)層(3)中，同時(shí)金屬區(qū)域與上、下兩個(gè)高折射率介質(zhì)層(5、2)之間的混合效應(yīng)使得場(chǎng)增強(qiáng)更加明顯。所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)保持了亞波長(zhǎng)模場(chǎng)限制能力，且具有很低的傳輸損耗。該波導(dǎo)易用平面加工工藝實(shí)現(xiàn)，可用于構(gòu)建各類集成光子器件。
文檔編號(hào)G02B6/122GK102590938SQ201210055748
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月5日
發(fā)明者劉建勝, 劉磊, 卞宇生, 蘇亞林, 趙欣, 鄭錚 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)