CN102565933B - 一种亚波长混合型表面等离子激元光波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备亚波长光场限制能力的混合型表面等离子激元光波导，该波导结构的横截面包括金属基底层(1)、位于金属基底层上的低折射率介质层(2)、嵌于低折射率层中的高折射率介质区域(3)、位于低折射率介质层(2)上的高折射率介质区域(4)以及包层(5)。金属基底层(1)与其邻近的高折射率介质区域(4)可将光场限制在低折射率介质层(2)中，同时高折射率介质区域(3)的存在，可进一步缩小光场分布范围，实现对传输光场的亚波长约束。所述光波导结构进一步提高了传统混合型波导的模场限制能力，同时保持较低的传输损耗，为超高集成度光波导芯片的实现提供可能。

Description

一种亚波长混合型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，具体涉及一种亚波长混合型表面等离子激元光波导。

背景技术

表面等离子激元光波导技术近年来已经吸引了国内外专家学者的广泛关注，并已成为纳米光子学的新兴研究领域，表面等离子激元是金属表面自由电子与入射光子相互耦合形成的非辐射电磁模式，它是局域在金属和介质表面传播的一种混合激发态。这种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。表面等离子激元具有较强的场限制特性，可以将场能量约束在空间尺寸远小于其自由空间传输波长的区域，且其性质可随金属表面结构变化而改变。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。

金属/介质/金属型和介质/金属/介质型波导为两类传统的表面等离子激元光波导结构。其中，介质/金属/介质型光波导传输损耗较低，但较差的模场限制能力制约了其在高集成度光路中的应用；另一方面，金属/介质/金属型光波导具有很强的模场限制能力，但其传输损耗太大，导致其无法实现长距离光信号的传输。针对传统表面等离子激元光波导模场限制能力和传输损耗之间的矛盾，加州大学伯克利分校的张翔研究小组提出了一种混合型表面等离子激元光波导，他们的研究发现在低折射率介质/金属表面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。

本发明则提出了一种具备更强模场限制能力的亚波长混合型表面等离子激元光波导。在上述混合型波导结构的基础上，通过在低折射率介质层中引入另一高折射率介质薄层，其模场限制能力得到进一步提高，同时具有较低的传输损耗。此波导对于实现各类有源及无源表面等离子激元器件、集成光子芯片具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是进一步提高传统混合型表面等离子激元光波导的模场限制能力，提出一种亚波长混合型表面等离子激元光波导结构。

本发明提供了一种具备亚波长光场限制能力的混合型表面等离子激元光波导，其横截面包括金属基底层、位于金属基底层上的低折射率介质层、嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域、位于低折射率介质层上的高折射率介质区域以及包层；其中，低折射率介质层的宽度不小于所传输的光信号的波长的0.1倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍，嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的宽度不小于所传输的光信号的波长的0.08倍，且不大于低折射率介质层的宽度，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01-0.08倍，且小于低折射率介质层的高度，低折射率介质层上的高折射率介质区域的宽度范围为所传输光信号的波长的0.06-0.4倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.06-0.4倍；嵌于低折射率介质层的高折射率介质区域和位于低折射率介质层上的高折射率介质区域的材料可为相同或不同材料，且两者的材料折射率均高于低折射率介质层以及包层的材料折射率，低折射率介质层和包层的材料可为相同材料或不同材料，低折射率介质层和包层的材料折射率的最大值与嵌于低折射率介质层的高折射率介质区域和位于低折射率介质层上的高折射率介质区域材料折射率的最小值的比值小于0.75。

所述混合型表面等离子激元光波导结构中金属基底层的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同金属层复合的材料。

所述混合型表面等离子激元光波导结构中嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

所述混合型表面等离子激元光波导结构中位于低折射率介质层上的高折射率介质区域的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

本发明的混合型表面等离子激元光波导具有以下优点：

本发明所设计的混合型表面等离子激元光波导具有很强的模场限制能力，能够实现模场的亚波长约束，同时保持了低传输损耗。因此可用于构建各类集成光器件和光子芯片。

附图说明

图1是亚波长混合型表面等离子激元光波导的结构示意图。区域1为金属基底层，区域2为低折射率介质层，其高度为h₂；区域3为嵌于低折射率层中的高折射率介质区域，其宽度为w₃，高度为h₄；区域4为位于低折射率介质层上的高折射率介质区域，其宽度为w₄，高度为h₄；区域5为包层。

图2是实例1所述亚波长混合型表面等离子激元光波导的结构图。201为金属基底层，n_m为其折射率；202为低折射率介质区，n_l为其折射率，h_l为其高度；203为嵌于低折射率层中的高折射率介质区，n_i为其折射率，w_i为其宽度，h_i为其高度；204为位于低折射率介质层上的高折射率介质区，n_h为其折射率，w_h为其宽度，h_h为其高度，204的下边缘到203上边缘的最小距离以及203下边缘到201的上表面的最小距离均为h_g，w_h为其宽度，h_h为其高度；205为包层，n_c为其折射率。

图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述亚波长混合型表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度沿Y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所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。

图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。

图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。

图7是实例2所述亚波长混合型表面等离子激元光波导的结构图。701为金属基底层，n_m为其折射率；702为低折射率介质区，n_l为其折射率，h_l为其高度；703为嵌于低折射率层中的高折射率介质区，n_i为其折射率，h_i为其高度；704为位于低折射率介质层上的高折射率介质区，n_h为其折射率，w_h为其宽度，h_h为其高度，704的下边缘到703上边缘的最小距离以及703下边缘到701的上表面的最小距离均为h_g，w_h为其宽度，h_h为其高度；705为包层，n_c为其折射率。

图8是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述亚波长混合型表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度沿Y轴方向的分布曲线。

图9是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。

图10是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。

图11是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述亚波长混合型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距离h_g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l/e时的距离，其表达式为：

L＝λ/[4π/Im(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＝(∫∫|E(x，y)|²dxdy)²/∫∫|E(x，y)|⁴dxdy          (2)

其中，A_eff为有效模场面积，E(x，y)为表面等离子波的电场。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                        (3)

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                        (4)

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：嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域为有限宽的光波导结构

图2是实例1所述亚波长混合型表面等离子激元光波导的结构图。201为金属基底层，n_m为其折射率；202为低折射率介质区，n_l为其折射率，h_l为其高度；203为嵌于低折射率层中的高折射率介质区，n_i为其折射率，w_i为其宽度，h_i为其高度；204为位于低折射率介质层上的高折射率介质区，n_h为其折射率，w_h为其宽度，h_h为其高度，204的下边缘到203上边缘的最小距离以及203下边缘到201的上表面的最小距离均为h_g，w_h为其宽度，h_h为其高度；205为包层，n_c为其折射率。

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的材料为二氧化硅，其折射率为1.5；203和204的材料为硅，其折射率为3.5；205的材料设为空气，其折射率为1。

在本实例中，203的宽度w_h＝200nm，高度h_h＝200nm；203的宽度w_i＝200nm，高度h_i＝200nm；距离h_g的取值范围为5-50nm。

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所述亚波长混合型表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度沿Y轴方向的分布曲线。由图3可见，所述亚波长混合型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所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。由图4可见，所述介质混合型光波导的表面等离子激元模式的有效折射率随距离h_g增大而减小。

图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。由图5可见，所述介质加载型光波导的表面等离子激元模式的传输距离介于30～101微米之间，且随距离h_g增大而增大。

图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。由图6可见，所述混合型光波导的表面等离子激元模式的归一化模场面积随距离h_g增大而增大且远小于1，同时其始终小于相应传统混合型波导的模场面积。说明所述混合型光波导可以实现更强的亚波长模场限制能力。

实例2：嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域为无限宽的光波导结构

图7是实例2所述亚波长混合型表面等离子激元光波导的结构图。701为金属基底层，n_m为其折射率；702为低折射率介质区，n_l为其折射率，h_l为其高度；703为嵌于低折射率层中的高折射率介质区，n_i为其折射率，h_i为其高度；704为位于低折射率介质层上的高折射率介质区，n_h为其折射率，w_h为其宽度，h_h为其高度，704的下边缘到703上边缘的最小距离以及703下边缘到701的上表面的最小距离均为h_g，w_h为其宽度，h_h为其高度；705为包层，n_c为其折射率。

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的材料为二氧化硅，其折射率为1.5；703和704的材料为硅，其折射率为3.5；705的材料设为空气，其折射率为1。

在本实例中，703的宽度w_h＝200nm，高度h_h＝200nm；703的高度h_i＝200nm；距离h_g的取值范围为5-50nm。

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8是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述亚波长混合型表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度沿Y轴方向的分布曲线。由图8可见，所述亚波长混合型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区域内有明显的场增强效应。

图9是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。由图4可见，所述介质混合型光波导的表面等离子激元模式的有效折射率随距离h_g增大而减小。

图10是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。由图5可见，所述介质加载型光波导的表面等离子激元模式的传输距离介于29～92微米之间，且随距离h_g增大而增大。

图11是传输光信号的波长为1.55μm时实例2所述亚波长混合型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距离h_g的变化曲线。由图6可见，所述混合型光波导的表面等离子激元模式的归一化模场面积随距离h_g增大而增大且远小于1，同时其始终小于相应传统混合型波导的模场面积。说明所述混合型光波导可以实现更强的亚波长模场限制能力。

实例1和实例2的仿真结果表明，本发明所涉及的波导结构中的嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域可为有限宽度，也可为无限宽。

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 (4)

1.一种具备亚波长光场限制能力的混合型表面等离子激元光波导，其横截面包括金属基底层、位于金属基底层上的低折射率介质层、嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域、位于低折射率介质层上的高折射率介质区域以及包层；其中，低折射率介质层的宽度不小于所传输的光信号的波长的0.1倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍，嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的宽度不小于所传输的光信号的波长的0.08倍，且不大于低折射率介质层的宽度，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01-0.08倍，且小于低折射率介质层的高度，低折射率介质层上的高折射率介质区域的宽度范围为所传输光信号的波长的0.06-0.4倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.06-0.4倍；嵌于低折射率介质层的高折射率介质区域和位于低折射率介质层上的高折射率介质区域的材料为相同或不同材料，且两者的材料折射率均高于低折射率介质层以及包层的材料折射率，低折射率介质层和包层的材料可为相同材料或不同材料，低折射率介质层和包层的材料折射率的最大值与嵌于低折射率介质层的高折射率介质区域和位于低折射率介质层上的高折射率介质区域材料折射率的最小值的比值小于0.75。

2.根据权利要求1所述的混合型表面等离子激元光波导，其特征在于，金属基底层的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同金属复合的材料。

3.根据权利要求1所述的混合型表面等离子激元光波导，其特征在于，嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

4.根据权利要求1所述的混合型表面等离子激元光波导，其特征在于，位于低折射率介质层上的高折射率介质区域的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

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