CN102565929B

CN102565929B - 一种纳米线阵列表面等离子激元光波导

Info

Publication number: CN102565929B
Application number: CN 201210011995
Authority: CN
Inventors: 郑铮; 卞宇生; 赵欣; 刘磊; 苏亚林; 刘建胜
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN102565929A

Abstract

本发明公开了一种同时具备极低传输损耗和强模场限制能力的纳米线阵列表面等离子激元光波导结构，该波导结构的横截面包括嵌于低折射率介质(4)中的金属纳米线(1)和分别位于其左右两侧的两个高折射率介质纳米线(2、3)。金属纳米线与其紧邻的两个高折射率介质纳米线可显著地将光场限制在金属纳米线两侧的低折射率狭缝区域，从而实现对传输光场的二维亚波长约束；同时仍能保持较低的传输损耗。所述光波导结构克服了现有表面等离子激元光波导在光场限制能力和传输损耗之间的矛盾，并在保证亚波长模场限制的前提下进一步提高了传输距离。所述波导可用于构建各类无源和有源集成光子器件，为高密度集成光路的实现提供了可能。

Description

一种纳米线阵列表面等离子激元光波导

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种纳米线阵列表面等离子激元光波导。

背景技术

近年来，纳米线光子学技术得到了迅速发展，其相关领域的研究已引起国内外专家学者的广泛关注。由于纳米线具有优良的光学和电学特性，其已被广泛应用于各类光学和光电器件，覆盖范围从导波到激发光辐射等，在包括电子通讯、信息存储、生化传感器、纳米光刻等诸多方面都有很强的应用价值。

另一方面，作为目前热门的表面等离子激元的重要研究方向之一，表面等离子激元光子波导技术已经成为国内外专家学者竞相追逐的研究热点。表面等离子激元波导可以突破衍射极限的限制，将光场约束在几十纳米甚至更小的范围内，并产生显著的场增强效应。目前表面等离子激元光波导正以其独特的模场限制能力、较长的传输距离，以及可以同时传输光电讯号、可调控等独特的优势在纳米光子学领域显示出巨大的潜力，并已在纳米光子芯片、调制器、耦合器和开关、纳米激光器、突破衍射极限的超分辨成像以及生物传感器等方面有着重要的应用前景。加州大学伯克利分校的张翔研究小组最新研究发现在低折射率介质/金属平面结构的附近添加一个高折射率介质层，可将光场约束到高折射率介质层和金属界面之间的低折射率介质狭缝中传输，同时保持较低的传输损耗。该波导结构克服了传统表面等离子体激元光波导结构无法平衡模场限制能力和传输损耗这两个物理量的问题。

受上述混合概念的启发，同时结合纳米线光波导的优良特性，本发明提出了一种基于纳米线阵列的混合型表面等离子激元光波导。与传统的混合型波导相比，所获得的纳米线阵列波导可以实现更低的传输损耗并保持亚波长的模场限制能力。该纳米线阵列波导可用于实现各类有源及无源表面等离子激元器件，对于构建集成光子芯片具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提高传统混合型表面等离子激元光波导的传输特性，提出一种同时具备极低传输损耗和强模场限制能力的纳米线阵列表面等离子激元光波导结构。

本发明提供了一种同时具备极低传输损耗和强模场限制能力的纳米线阵列表面等离子激元光波导结构，其横截面为嵌于低折射率介质中的金属纳米线和嵌于低折射率介质中位于金属纳米线左右两侧的两个高折射率介质纳米线；所述两个高折射率介质纳米线中心分别与金属纳米线中心两条连线的夹角的内顶角范围为90-270度；所述结构中金属纳米线宽度范围为所传输的光信号的波长的0.03-0.4倍，其高度范围为所传输的光信号的波长的0.03-0.4倍；所述结构中高折射率介质纳米线的宽度范围为所传输光信号的波长的0.03-0.4倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.03-0.4倍，所述高折射率介质纳米线分别与金属纳米线不相接触，且两个高折射率介质纳米线不相接触，高折射率介质纳米线的边缘到金属纳米线表面的最小距离范围为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍；所述结构中金属纳米线和高折射率介质纳米线的截面形状为矩形、五边形、六边形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

所述纳米线阵列波导结构中两个高折射率介质纳米线的形状和位置相对于金属纳米线对称，且材料折射率相同；所述结构中低折射率介质的折射率与高折射率介质的折射率比值小于0.75。

所述纳米线阵列波导结构中金属纳米线的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。

本发明的纳米线阵列表面等离子激元光波导具有以下优点：

本发明所设计的纳米线阵列表面等离子激元光波导具有极低的传输损耗，并具有较强的模场限制能力。因此便于集成，可应用于超高密度集成光路。

该二维结构易于与纳米线加工工艺匹配，易应用于高集成度的光波导芯片中。

附图说明

图1是纳米线阵列表面等离子激元光波导的结构示意图。区域1为金属纳米线，其宽度为w_m，高度为h_m；区域2为金属纳米线左侧(即沿X轴负方向)的高折射率介质纳米线，其宽度为w_g，高度为h_g，g为区域1左边缘到区域2右边缘的最小距离；区域3为金属纳米线右侧(即沿X轴正方向)的高折射率介质纳米线，其宽度为w_g，高度为h_g，g为区域1右边缘到区域3左边缘的最小距离；区域4为低折射率介质区。

图2是实例1所述纳米线阵列表面等离子激元光波导的结构示意图。201为圆柱形金属纳米线(端面为圆形)，其宽度为w_m，高度为h_m，折射率为n_m；202为201左侧(即沿X轴负方向)的圆柱形高折射率介质纳米线(端面为圆形)，其折射率为n_d，宽度为w_g，高度为h_g，g为201到202右边缘的最小距离；203为201右侧(即沿X轴正方向)的圆柱形高折射率介质纳米线(端面为圆形)，其折射率为n_d，宽度为w_g，高度为h_g，g为201右边缘到203左边缘的最小距离；204为低折射率介质区，折射率为n_c。

图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述纳米线阵列表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式电场强度Y分量沿X轴方向的分布曲线。

图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率随金属纳米线宽度w_m的变化曲线。

图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随金属纳米线宽度w_m的变化曲线。

图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的归一化有效模场面积随金属纳米线宽度w_m的变化曲线。

图7是实例2所述纳米线阵列表面等离子激元光波导的结构示意图。701为圆柱形金属纳米线(端面为圆形)，其宽度为w_m，高度为h_m，折射率为n_m；702为701左侧(即沿X轴负方向)的圆柱形高折射率介质纳米线(端面为圆形)，其折射率为n_d，宽度为w_g，高度为h_g，g为701到702右边缘的最小距离，701和702中心连线与通过701中心的水平线之间的夹角为θ；703为701右侧(即沿X轴正方向)的圆柱形高折射率介质纳米线(端面为圆形)，其折射率为n_d，宽度为w_g，高度为h_g，g为701右边缘到703左边缘的最小距离，701和703中心连线与通过701中心的水平线之间的夹角为θ；704为低折射率介质区，折射率为n_c。

图8是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率随角度θ的变化曲线。

图9是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随角度θ的变化曲线。

图10是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的归一化有效模场面积随角度θ的变化曲线。

具体实施方式

表面等离子波的模式特性是表征表面等离子激元光波导的重要指标。其中模式特性参数主要包括有效折射率实部、传输距离和归一化有效模场面积。

传输距离L定义为任一界面上电场强度衰减为起始值1/e时的距离，其表达式为：

L＝λ/[4πIm(n_eff)] (1)

其中Im(n_eff)为模式有效折射率的虚部，λ为传输光信号的波长。

有效模场面积的计算表达式如下：

A_eff＝(∫∫W(r)dA)/{max(W(r))} (2)

其中，A_eff为有效模场面积，W(r)为表面等离子波的能流密度，max表示取最大值，W(r)的定义式为：

W(r)＝0.5Re{d[ωε(r)]/dω}|E(r)|²+0.5μ₀|H(r)|² (3)

其中，Re表示取实部，E(r)为表面等离子波的电场，H(r)为表面等离子波的磁场，ε(r)为电导率，μ₀为真空磁导率。归一化有效模场面积为(2)式计算得到的有效模场面积与衍射极限小孔面积之比。衍射极限小孔的面积定义如下：

A₀＝λ²/4 (4)

其中，A₀为衍射极限小孔面积，λ为传输光信号的波长。因此，归一化有效模场面积A为：

A＝A_eff/A₀ (5)

归一化有效模场面积的大小表征模式的模场限制能力，该值小于1的情形对应亚波长的尺寸约束。

实例1：金属纳米线的中心点和高折射率介质纳米线的中心点在同一水平位置上(Y坐标相同)(对应两个高折射率介质纳米线中心分别与金属纳米线中心两条连线的夹角的内顶角为180度)

图2是实例1所述纳米线阵列表面等离子激元光波导的结构示意图。201为圆柱形金属纳米线(端面为圆形)，其宽度为w_m，高度为h_m，折射率为n_m；202为201左侧(即沿X轴负方向)的圆柱形高折射率介质纳米线(端面为圆形)，其折射率为n_d，宽度为w_g，高度为h_g，g为201到202右边缘的最小距离；203为201右侧(即沿X轴正方向)的圆柱形高折射率介质纳米线(端面为圆形)，其折射率为n_d，宽度为w_g，高度为h_g，g为201右边缘到203左边缘的最小距离；区域4为低折射率介质区。

在本实例中，传输的光信号的波长选定为1.55μm，201的材料为银，在1.55μm波长处的折射率为0.1453+i*11.3587；202和203的材料设为硅，其折射率为3.5；204的材料设为二氧化硅，其折射率为1.5。

在本实例中，201的宽度w_m＝200nm，高度h_m＝200nm；距离g＝30nm；202和203的高度和宽度相等，且取值范围为50-500nm，在权利要求书第一条中所描述的范围之内。

使用全矢量有限元方法对本实施例中的上述波导结构进行仿真，计算得到1.55μm波长处表面等离子激元模式的模场分布及模式特性。

图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述纳米线阵列表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式电场强度Y分量沿X轴方向的分布曲线。由图3可见，所述纳米线阵列表面等离子激元光波导光场的电场强度曲线在低折射率介质狭缝区域内有明显的场增强效应。

图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率随金属纳米线宽度w_m的变化曲线。由图4可见，所述纳米线阵列光波导的表面等离子激元模式的有效折射率随金属纳米线的增大而增大。

图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随金属纳米线宽度w_m的变化曲线。由图5可见，所述纳米线阵列光波导的表面等离子激元模式的传输距离随金属纳米线的增大而减小，当金属纳米线的宽度小于60纳米时，相应的传输距离将大于1毫米。

图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的归一化有效模场面积随金属纳米线宽度w_m的变化曲线。由图6可见，归一化有效模场面积始终很小，且远小于1，说明所述纳米线阵列光波导具有亚波长的模场限制能力。

实例2：金属纳米线的中心点和高折射率介质纳米线的中心点不在同一水平位置上(Y坐标不同)

在本实例中，传输的光信号的波长选定为1.55μm，701的材料为银，在1.55μm波长处的折射率为0.1453+i*11.3587；702和703的材料设为硅，其折射率为3.5；704的材料设为二氧化硅，其折射率为1.5。

在本实例中，701的宽度w_m＝200nm，高度h_m＝200nm；距离g＝10nm；702和703的高度和宽度相等，且为w_h＝h_h＝200nm，夹角θ的取值范围为0到30度(此角度对应：两个高折射率介质纳米线中心分别与金属纳米线中心两条连线的夹角的内顶角为120度到180度)，该角度范围在权利要求书第一条中所描述的范围之内。

图8是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率随角度θ的变化曲线。由图8可见，所述纳米线阵列光波导的表面等离子激元模式的有效折射率随角度的θ增大而减小。

图9是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随角度θ的变化曲线。由图9可见，所述纳米线阵列光波导的表面等离子激元模式的传输距离随角度θ的增大而缓慢增大，在0-30度整个范围内变化不是很明显。

图10是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述纳米线阵列表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的归一化有效模场面积随角度θ的变化曲线。由图10可见，归一化有效模场面积始终很小，且远小于1，说明所述纳米线阵列光波导具有亚波长的模场限制能力，此外归一化有效模场面积值随角度的变化不太明显。因此，由图9和图10的计算结果表明，角度θ在小范围内的变化对模式特性的影响不大，说明该波导对于加工误差具有较好的容忍性。

最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的表面等离子激元光波导结构，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种同时具备极低传输损耗和强模场限制能力的纳米线阵列表面等离子激元光波导结构，其横截面为嵌于低折射率介质中的金属纳米线和嵌于低折射率介质中位于金属纳米线左右两侧的两个高折射率介质纳米线；所述两个高折射率介质纳米线中心分别与金属纳米线中心两条连线的夹角的内顶角范围为90-270度；所述结构中金属纳米线宽度范围为所传输的光信号的波长的0.03-0.4倍，其高度范围为所传输的光信号的波长的0.03-0.4倍；所述结构中高折射率介质纳米线的宽度范围为所传输光信号的波长的0.03-0.4倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.03-0.4倍，所述高折射率介质纳米线分别与金属纳米线不相接触，且两个高折射率介质纳米线不相接触，高折射率介质纳米线的边缘到金属纳米线表面的最小距离范围为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍；所述结构中金属纳米线和高折射率介质纳米线的截面形状为矩形、五边形、六边形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种；所述结构中两个高折射率介质纳米线的形状和位置相对于金属纳米线对称，且材料折射率相同；所述结构中低折射率介质的折射率与高折射率介质的折射率比值小于0.75。

2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中金属纳米线的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。