專利名稱：一種表面等離子激元狹縫光波導的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光波導技術領域，具體涉及一種表面等離子激元狹縫光波導。
背景技術：
表面等離子激元是由光和金屬表面自由電子的相互作用引起的一種電磁波模式。 這種模式存在于金屬與介質界面附近，其場強在界面處達到最大，且在界面兩側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的場限制特性，可以將場能量約束在空間尺寸遠小于其自由空間傳輸波長的區(qū)域，且其性質可隨金屬表面結構變化而改變。作為目前熱門的表面等離子激元的重要研究方向之一，表面等離子激元光子波導技術已經成為國內外專家學者競相追逐的研究熱點。表面等離子激元波導可以突破衍射極限的限制，將光場約束在幾十納米甚至更小的范圍內，并產生顯著的場增強效應。目前表面等離子激元光波導正以其獨特的模場限制能力、較長的傳輸距離，以及可以同時傳輸光電訊號、可調控等獨特的優(yōu)勢在納米光子學領域顯示出巨大的潛力，并已在納米光子芯片、調制器、耦合器和開關、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用前景。作為經典的表面等離子激元光波導結構之一，金屬/介質/金屬型波導具有很強的模場限制能力。目前已有的金屬/介質/金屬型波導主要包括平板金屬狹縫波導、U型和V型槽波導等。本發(fā)明的波導是在V型槽波導基礎的改進。在V型槽內填充介質層，并在其中嵌入一個金屬區(qū)域，由此形成的新結構可將光場明顯地限制在金屬區(qū)域和金屬V型槽之間的狹縫區(qū)域中。該波導可以同時對兩種模式的光實現(xiàn)很強的模場限制。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種能實現(xiàn)強模場限制的表面等離子激元狹縫光波導結構，其橫截面從下到上依次為金屬基底、介質區(qū)域、嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域以及包層；金屬基底在與介質區(qū)域相接的區(qū)域的外輪廓呈“V”字形，且金屬基底“V”字形區(qū)域的高度范圍為所傳輸光信號的波長的O. 12-0. 65倍，金屬基底“V”字形區(qū)域中心的外頂角的角度大于5度且小于180度；介質區(qū)域上表面和兩側均與金屬基底相接，其上表面與包層相接，介質區(qū)域底部中心的內頂角與金屬基底“V”字形區(qū)域中心的外頂角相等；嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域與金屬基底不相接觸，金屬區(qū)域的最大寬度為所傳輸光信號的波長的O. 01-2倍，且小于介質區(qū)域的最大寬度，金屬區(qū)域的最大高度為所傳輸光信號的波長的O. 1-0. 6倍，且小于介質區(qū)域的最大高度；金屬基底和金屬區(qū)域為相同材料或不同材料；介質區(qū)域和包層為相同材料或不同材料。所述光波導結構中金屬基底和嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域的材料為能產生表面等離子激元的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種、或是各自的合金、或是上述金屬構成的復合材料。所述光波導結構中嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域的截面的形狀為三角形、矩形、梯
3形、圓形、橢圓形、五邊形或六邊形中的任何一種。本發(fā)明的表面等離子激元狹縫光波導具有以下優(yōu)點本發(fā)明所設計的表面等離子激元狹縫光波導可以同時對兩種模式實現(xiàn)很強的模場限制，且保持亞波長的模場面積。該波導結構與現(xiàn)有平面波導的加工工藝相匹配。


圖I是表面等離子激元狹縫光波導的結構示意圖。區(qū)域I為金屬基底，“V”字形區(qū)域的高度為h，“v”字形區(qū)域中心的外頂角為0 ;區(qū)域2為介質區(qū)域，其底部的內頂角為
6;區(qū)域3為嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域，其寬度為《3，高度為h3，區(qū)域3上表面到包層下表面的最小距離為h34，區(qū)域3下表面到金屬基底區(qū)域“V”字形區(qū)域中心上表面的最小距離為 h31，區(qū)域3左側到金屬基底區(qū)域“V”字形區(qū)域的右表面的最小距離為d311，區(qū)域3右側到金屬基底區(qū)域“V”字形區(qū)域的左表面的最小距離為;區(qū)域4為包層。圖2是實例I所述表面等離子激元狹縫光波導的結構圖。201為金屬基底，其外頂角為9，h為其高度，nm為其折射率；202為呈“V”字形的介質區(qū)域，其厚度均勻，d為其厚度，202底部的內頂角為0 A1為其折射率；203為嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域，其底部的內頂角也為9，h。為其高度，nm為其折射率；204為包層，nc為其折射率。圖3是傳輸光信號的波長為I. 55 y m時實例I所述表面等離子激元狹縫光波導的所支持的表面等離子激元模式光場的電場強度分布圖。其中，圖3(a)為對稱表面等離子激元模式的分布圖，圖3(b)為反對稱表面等離子激元模式的分布圖。圖4是傳輸光信號的波長為I. 55 y m時實例I所述表面等離子激元狹縫光波導內傳輸?shù)膶ΨQ表面等離子激元模式的有效折射率、傳輸距離、歸一化有效模場面積以及限制因子隨高度h的變化曲線。圖5是傳輸光信號的波長為I. 55 y m時實例I所述表面等離子激元狹縫光波導內傳輸?shù)姆磳ΨQ表面等離子激元模式的有效折射率、傳輸距離、歸一化有效模場面積以及限制因子隨高度h的變化曲線。圖6是實例2所述表面等離子激元狹縫光波導的結構圖。601為金屬基底，其外頂角為9，h為其高度，nm為其折射率；602為介質區(qū)域，其底部的內頂角為0，h為其高度， H1為其折射率；603為嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域，nm為其折射率，其最大寬度為w。，最大高度為he，603上表面到604下表面的最小距離為h34，603下表面到601 “V”字形區(qū)域中心上表面的最小距離為h31，603左側到601 “V”字形區(qū)域的右表面的最小距離為d，603右側到 601 “V”字形區(qū)域的左表面的最小距離為d，604為包層，nc為其折射率。圖7是傳輸光信號的波長為I. 55 y m時實例2所述表面等離子激元狹縫光波導的所支持的表面等離子激元模式光場的電場強度分布圖。其中，圖7(a)為對稱表面等離子激元模式的分布圖，圖7(b)為反對稱表面等離子激元模式的分布圖。
具體實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的重要指標。其中模式特性參數(shù)主要包括有效折射率實部、傳輸距離和歸一化有效模場面積。
傳輸距離L定義為任一界面上電場強度衰減為起始值Ι/e時的距離，其表達式為L= λ / [4 Im (neff) ](I)其中Im(nrff)為模式有效折射率的虛部，λ為傳輸光信號的波長。有效模場面積的計算表達式如下Aeff = ( / / W(r)dA)/ {maxff (r)}(2)其中，Arff為有效模場面積，Kr)為表面等離子波的能流密度，其定義式為W (r) = O. 5Re {d [ ω ε (r) ] /d ω } | E (r) 2+0. 5 μ 01H (r) |2 (3)其中，Re表示取實部，E (r)為表面等離子波的電場，H(r)為表面等離子波的磁場， ε (r)為電導率，為真空磁導率。歸一化有效模場面積為(2)式計算得到的有效模場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(4)其中，Atl為衍射極限小孔面積，λ為傳輸光信號的波長。因此，歸一化有效模場面積A為A = Aeff/A0(5)限制因子表征表面等離子激元光波導的場強限制能力，在此定義為介質區(qū)域中所含功率占波導總功率的比例。實例I :嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域為三角形圖2是實例I所述表面等離子激元狹縫光波導的結構圖。201為金屬基底，其外頂角為Θ，h為其高度，nm為其折射率；202為呈“V”字形的介質區(qū)域，其厚度均勻，d為其厚度，202底部的內頂角為θ，ηι為其折射率；203為嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域，其底部的內頂角也為Θ，h。為其高度，nm為其折射率；204為包層，η。為其折射率。在本實例中，傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL選定為I. 55 μ m，201和203的材料為銀，在
I.55 μ m波長處的折射率為O. 1453+1*11. 3587 ;202和204的材料設為二氧化硅，其折射率為 I. 5。在本實例中，角度Θ = 25度；202的厚度d = IOnm ;高度h的取值范圍為 200_1000nm。使用全矢量有限元方法對本實施例中的上述波導結構進行仿真，計算得到
I.55 μ m波長處表面等尚子激兀模式的模場分布及模式特性。圖3是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實例I所述表面等離子激元狹縫光波導的所支持的表面等離子激元模式光場的電場強度分布圖(高度h = 500nm)。其中，圖3(a)為對稱表面等離子激元模式的分布圖，圖3(b)為反對稱表面等離子激元模式的分布圖。由圖 3可見，兩種模式在介質狹縫區(qū)域內均有明顯的場增強效應，對稱模式在金屬基底“V”字形槽的頂部的場增強更加明顯，而反對稱模式則在金屬基底“V”字形槽的底部的場增強更加明顯。圖4是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實例I所述表面等離子激元狹縫光波導內傳輸?shù)膶ΨQ表面等離子激元模式的有效折射率、傳輸距離、歸一化有效模場面積以及限制因子隨介質區(qū)域高度h的變化曲線。由圖4可見，所述對稱表面等離子激元模式的有效折射率、歸一化有效模場面積以及限制因子均隨高度h增大而增大，而其傳輸距離基本保持不變。在整個范圍內，限制因子始終大于O. 79，表明介質狹縫區(qū)域可將絕大部分光場限制在其內。
圖5是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實例I所述表面等離子激元狹縫光波導內傳輸?shù)姆磳ΨQ表面等離子激元模式的有效折射率、傳輸距離、歸一化有效模場面積以及限制因子隨高度h的變化曲線。由圖5可見，所述反對稱表面等離子激元模式的有效折射率隨高度h增大而減小，歸一化有效模場面積以及限制因子均隨高度h增大而增大，而其傳輸距離基本保持不變。在整個范圍內，限制因子始終大于O. 9，表明介質狹縫區(qū)域中可將絕大部分光場限制在其內。
實例2 :嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域為圓形
圖6是實例2所述表面等離子激元狹縫光波導的結構圖。601為金屬基底，其外頂角為Θ，h為其高度，nm為其折射率；602為介質區(qū)域，其底部的內頂角為0，h為其高度， H1為其折射率；603為嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域，nm為其折射率，其最大寬度為w。，最大高度為he，603上表面到604下表面的最小距離為h34，603下表面到601 “V”字形區(qū)域中心上表面的最小距離為h31，603左側到601 “V”字形區(qū)域的右表面的最小距離為d，603右側到 601 “V”字形區(qū)域的左表面的最小距離為d，604為包層，η。為其折射率。
在本實例中，傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL選定為I. 55 μ m, 601和603的材料為銀，在 I. 55 μ m波長處的折射率為O. 1453+1*11. 3587 ；602和604的材料設為二氧化硅，其折射率為 I. 5。
在本實例中，角度Θ = 25度；603的最大寬度和最大高度均為160nm ;距離h34 = 69nm, h31 = 271nm,距離 d = 20nm,高度 h = 500nm。
使用全矢量有限元方法對本實施例中的上述波導結構進行仿真，計算得到I.55 μ m波長處表面等尚子激兀模式的模場分布及模式特性。
圖7是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實例I所述表面等離子激元狹縫光波導的所支持的表面等離子激元模式光場的電場強度分布圖。其中，圖7(a)為對稱表面等離子激元模式的分布圖，圖7(b)為反對稱表面等離子激元模式的分布圖。由圖7可見，兩種模式在介質狹縫區(qū)域內均有明顯的場增強效應。
計算結果表明，對稱模式和反對稱模式的限制因子分別為O. 9065和O. 9717，表明兩種模式均可將絕大部分光場限制在介質狹縫區(qū)域內。同時兩種模式的歸一化模場面積均小于O. 1，證明了其亞波長的模場約束能力。
實例I和實例2的仿真結果表明，本發(fā)明所涉及的波導結構中嵌入介質區(qū)域的金屬區(qū)域可以采用三角形、圓形及其相近形狀實現(xiàn)，且該波導可以同時實現(xiàn)對兩種模式的強模場限制。
最后應說明的是，以上各附圖中的實施例僅用以說明本發(fā)明的表面等離子激元光波導結構，但非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種能實現(xiàn)強模場限制的表面等離子激元狹縫光波導結構，其橫截面從下到上依次為金屬基底、介質區(qū)域、嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域以及包層；金屬基底在與介質區(qū)域相接的區(qū)域的外輪廓呈“V”字形，且金屬基底“V”字形區(qū)域的高度范圍為所傳輸光信號的波長的O. 12-0. 65倍，金屬基底“V”字形區(qū)域中心的外頂角的角度大于5度且小于180度；介質區(qū)域上表面和兩側均與金屬基底相接，其上表面與包層相接，介質區(qū)域底部中心的內頂角與金屬基底“V”字形區(qū)域中心的外頂角相等；嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域與金屬基底不相接觸，金屬區(qū)域的最大寬度為所傳輸光信號的波長的O. 01-2倍，且小于介質區(qū)域的最大寬度，金屬區(qū)域的最大高度為所傳輸光信號的波長的O. 1-0. 6倍，且小于介質區(qū)域的最大高度；金屬基底和金屬區(qū)域為相同材料或不同材料；介質區(qū)域和包層為相同材料或不同材料。
2.根據(jù)權利要求I所述的光波導結構，其特征在于，所述結構中金屬基底和嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域的材料為能產生表面等離子激元的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種、或是各自的合金、或是上述金屬構成的復合材料。
3.根據(jù)權利要求I所述的光波導結構，其特征在于，所述結構中嵌于介質區(qū)域中的金屬區(qū)域的截面的形狀為三角形、矩形、梯形、圓形、橢圓形、五邊形或六邊形中的任何一種。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種表面等離子激元狹縫光波導結構，該波導結構的橫截面包括“V”字形金屬基底(1)、介質層(2)、嵌于介質層的金屬區(qū)域(3)和包層(4)。金屬基底和金屬區(qū)域之間的狹縫可以對傳輸光實現(xiàn)很強的模場限制，為超高集成度光波導芯片的實現(xiàn)提供可能。
文檔編號G02B6/122GK102590939SQ201210055918
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月5日 優(yōu)先權日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 申請人:北京航空航天大學