專利名稱：一種開放式表面等離子激元狹縫光波導(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，具體涉及一種開放式表面等離子激元狹縫光波導(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)的場限制特性，可以將場能量約束在空間尺寸遠(yuǎn)小于其自由空間傳輸波長的區(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，將光場約束在幾十納米甚至更小的范圍內(nèi)，并產(chǎn)生顯著的場增強(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(diào)控等獨(dú)特的優(yōu)勢在納米光子學(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。金屬/介質(zhì)/金屬型和介質(zhì)/金屬/介質(zhì)型波導(dǎo)為兩類傳統(tǒng)的表面等離子激元光波導(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)的模場限制能力，但其傳輸損耗太大，導(dǎo)致其無法實(shí)現(xiàn)長距離光信號的傳輸。其中，金屬狹縫波導(dǎo)是近年來研究較多的一類金屬/介質(zhì)/金屬型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其由薄金屬層中刻蝕的一個納米級尺寸的狹縫形成，由于其可將光場限制到深亞波長量級，且加工方便、便于集成，因此已被用于構(gòu)建各類無源集成光子器件。盡管其具有如上諸多優(yōu)點(diǎn)，但較大的傳輸損耗仍在一定程度上制約了該類波導(dǎo)的應(yīng)用。本發(fā)明則在傳統(tǒng)金屬狹縫波導(dǎo)的基礎(chǔ)上作改進(jìn)，提出了一種具備更低傳輸損耗的表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。通過在金屬狹縫上方引入一倒梯形金屬狹縫，所提波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可獲得更低的傳輸損耗且保持亞波長的模場限制能力。該波導(dǎo)的提出進(jìn)一步改善了傳統(tǒng)金屬狹縫波導(dǎo)的模式特性，從而有利于拓寬金屬狹縫波導(dǎo)的應(yīng)用領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是進(jìn)一步降低傳統(tǒng)金屬狹縫波導(dǎo)的傳輸損耗，提出一種低損耗開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供了一種開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)，其橫截面包括基底層、位于基底層上的從下往上依次排列的兩個介質(zhì)區(qū)域，位于基底層上的介質(zhì)區(qū)域兩側(cè)的兩個金屬區(qū)域以及包層；兩個介質(zhì)區(qū)域之間緊密相接，其中與基底層相接的介質(zhì)區(qū)域的截面的形狀為矩形，與包層相接的介質(zhì)區(qū)域的截面的形狀為倒梯形；與基底層相接的介質(zhì)區(qū)域的高度為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的O. 02-0. 2倍，其寬度所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的O. 02-0. 2倍; 與包層相接的介質(zhì)區(qū)域的高度為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的O. 3-5倍，其下表面的寬度小于其上表面的寬度，且其下表面的寬度和與基底層相接的介質(zhì)區(qū)域的寬度相等，與包層相接的介質(zhì)區(qū)域的上表面的寬度為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的O. 03-100倍；除基底層、介質(zhì)區(qū)域及包層以外的區(qū)域由兩個金屬區(qū)域填充；基底層、位于基底層上的兩個介質(zhì)區(qū)域以及包層的材料為相同材料或不同材料，介質(zhì)區(qū)域左、右兩側(cè)的兩個金屬區(qū)域的材料為相同材料或不同材料。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。本發(fā)明的開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)保持了傳統(tǒng)金屬狹縫波導(dǎo)的強(qiáng)模場限制能力，同時進(jìn)一步降低了其傳輸損耗。該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡單，可與平面波導(dǎo)的加工工藝相兼容。因此可用于實(shí)現(xiàn)集成光子器件。


圖I是開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。區(qū)域I為基底層，區(qū)域 2為與基底層相接的矩形介質(zhì)區(qū)域，其寬度為wb，高度為h2 ;區(qū)域3為與包層相接的倒梯形介質(zhì)區(qū)域，其高度為h3，下表面的寬度為wb，上表面的寬度為Wt ;區(qū)域4、5為區(qū)域2、3兩側(cè)的金屬區(qū)域；區(qū)域6為包層。圖2是實(shí)例所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為基底層，1為其折射率；202為與基底層相接的矩形介質(zhì)區(qū)域，其寬度為wb，高度為h2 ；203為與包層相接的倒梯形介質(zhì)區(qū)域，其高度為h3，下表面的寬度為wb，上表面的寬度為Wt ；206為包層；202、 203,206的折射率均為ns ；204和205為金屬區(qū)域，其折射率均為nm。圖3是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實(shí)例所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)的表面等離子激元模式光場的電場強(qiáng)度。圖4是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實(shí)例所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的有效折射率隨寬度Wt的變化曲線。圖5是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實(shí)例所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的傳輸距離隨寬度Wt的變化曲線。圖6是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實(shí)例所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的歸一化有效模場面積隨寬度Wt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面積。傳輸距離L定義為任一界面上電場強(qiáng)度衰減為起始值Ι/e時的距離，其表達(dá)式為
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(jì)算表達(dá)式如下
Aeff = ( / / I E(x，y) 2dxdy)2/ f f E(x, y) |4dxdy(2)其中，Aeff為有效模場面積，E(x,y)為表面等離子波的電場。歸一化有效模場面積為(2)式計(jì)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(3)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(4)歸一化有效模場面積的大小表征模式的模場限制能力，該值小于I的情形對應(yīng)亞波長的尺寸約束。實(shí)例圖2是實(shí)例所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為基底層，1為其折射率；202為與基底層相接的矩形介質(zhì)區(qū)域，其寬度為wb，高度為h2 ；203為與包層相接的倒梯形介質(zhì)區(qū)域，其高度為h3，下表面的寬度為wb，上表面的寬度為Wt ；206為包層；202、 203,206的折射率均為ns ；204和205為金屬區(qū)域，其折射率均為nm。在本實(shí)例中，傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL選定為I. 55 μ m, 204和205的材料為銀，在 I. 55 μ m波長處的折射率為O. 1453+1*11. 3587 ;201、202、203和206的材料均設(shè)為空氣，其折射率為I。 在本實(shí)例中，202的寬度wb = 50nm,高度h2 = 50nm ; 203的高度h3 = 3000nm,下表面寬度wb = 50nm，上表面寬度Wt的取值范圍為100-1000nm。使用全矢量有限元方法對本實(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(shí)例所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)的表面等離子激元模式光場的電場強(qiáng)度(wt = 600nm)。由圖3可見，所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)光場的電場強(qiáng)度在介質(zhì)區(qū)域內(nèi)有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)。圖4是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實(shí)例所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的有效折射率隨寬度Wt的變化曲線。由圖4可見，所述表面等離子激元模式的有效折射率隨寬度Wt增大而減小。圖5是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實(shí)例所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的傳輸距離隨寬度Wt的變化曲線。由圖5可見，所述表面等離子激元模式的傳輸距離介于30 45微米之間，且隨寬度Wt增大而增大。圖6是傳輸光信號的波長為I. 55 μ m時實(shí)例所述開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x子激元模式的歸一化有效模場面積隨寬度Wt的變化曲線。由圖6可見，所述表面等離子激元模式的歸一化模場面積隨寬度Wt增大而減小且遠(yuǎn)小于1，說明其可以實(shí)現(xiàn)深亞波長的模場限制能力。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
1.一種開放式表面等離子激兀狹縫光波導(dǎo)，其橫截面包括基底層、位于基底層上的從下往上依次排列的兩個介質(zhì)區(qū)域，位于基底層上的介質(zhì)區(qū)域兩側(cè)的兩個金屬區(qū)域以及包層；兩個介質(zhì)區(qū)域之間緊密相接，其中與基底層相接的介質(zhì)區(qū)域的截面的形狀為矩形，與包層相接的介質(zhì)區(qū)域的截面的形狀為倒梯形；與基底層相接的介質(zhì)區(qū)域的高度為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的O. 02-0. 2倍，其寬度所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的O. 02-0. 2倍；與包層相接的介質(zhì)區(qū)域的高度為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的O. 3-5倍，其下表面的寬度小于其上表面的寬度，且其下表面的寬度和與基底層相接的介質(zhì)區(qū)域的寬度相等，與包層相接的介質(zhì)區(qū)域的上表面的寬度為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的O. 03-100倍；除基底層、介質(zhì)區(qū)域及包層以外的區(qū)域由兩個金屬區(qū)域填充；基底層、位于基底層上的兩個介質(zhì)區(qū)域以及包層的材料為相同材料或不同材料，介質(zhì)區(qū)域左、右兩側(cè)的兩個金屬區(qū)域的材料為相同材料或不同材料。
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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具備較低傳輸損耗的開放式表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面包括介質(zhì)基底層(1)、位于介質(zhì)基底層上的漏斗狀金屬狹縫結(jié)構(gòu)(2、3、4、5)以及包層。漏斗狀金屬狹縫的底部可將大部分傳輸光場限制在(4)中，同時上方倒梯形開口(5)的存在使其能保持較低的傳輸損耗。該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低了傳統(tǒng)表面等離子激元狹縫光波導(dǎo)的傳輸損耗，并保持了較強(qiáng)的模場束縛能力，可用于構(gòu)建各類集成光波導(dǎo)和器件。
文檔編號G02B6/122GK102590940SQ20121005658
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月6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(xué)