CN102590940B - 一种开放式表面等离子激元狭缝光波导 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备较低传输损耗的开放式表面等离子激元狭缝光波导结构，该波导结构的横截面包括介质基底层(1)、位于介质基底层上的漏斗状金属狭缝结构(2、3、4、5)以及包层。漏斗状金属狭缝的底部可将大部分传输光场限制在(4)中，同时上方倒梯形开口(5)的存在使其能保持较低的传输损耗。该波导结构进一步降低了传统表面等离子激元狭缝光波导的传输损耗，并保持了较强的模场束缚能力，可用于构建各类集成光波导和器件。

Description

一种开放式表面等离子激元狭缝光波导

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种开放式表面等离子激元狭缝光波导。

背景技术

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。其中，金属狭缝波导是近年来研究较多的一类金属/介质/金属型波导结构，其由薄金属层中刻蚀的一个纳米级尺寸的狭缝形成，由于其可将光场限制到深亚波长量级，且加工方便、便于集成，因此已被用于构建各类无源集成光子器件。尽管其具有如上诸多优点，但较大的传输损耗仍在一定程度上制约了该类波导的应用。

本发明则在传统金属狭缝波导的基础上作改进，提出了一种具备更低传输损耗的表面等离子激元狭缝光波导结构。通过在金属狭缝上方引入一倒梯形金属狭缝，所提波导结构可获得更低的传输损耗且保持亚波长的模场限制能力。该波导的提出进一步改善了传统金属狭缝波导的模式特性，从而有利于拓宽金属狭缝波导的应用领域。

发明内容

本发明的目的是进一步降低传统金属狭缝波导的传输损耗，提出一种低损耗开放式表面等离子激元狭缝光波导结构。

本发明提供了一种开放式表面等离子激元狭缝光波导，其横截面包括基底层、位于基底层上的从下往上依次排列的两个介质区域，位于基底层上的介质区域两侧的两个金属区域以及包层；两个介质区域之间紧密相接，其中与基底层相接的介质区域的截面的形状为矩形，与包层相接的介质区域的截面的形状为倒梯形；与基底层相接的介质区域的高度为所传输的光信号的波长的0.02-0.2倍，其宽度所传输的光信号的波长的0.02-0.2倍；与包层相接的介质区域的高度为所传输的光信号的波长的0.3-5倍，其下表面的宽度小于其上表面的宽度，且其下表面的宽度和与基底层相接的介质区域的宽度相等，与包层相接的介质区域的上表面的宽度为所传输的光信号的波长的0.03-100倍；除基底层、介质区域及包层以外的区域由两个金属区域填充；基底层、位于基底层上的两个介质区域以及包层的材料为相同材料或不同材料，介质区域左、右两侧的两个金属区域的材料为相同材料或不同材料。

所述光波导结构中金属区域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、或是上述金属构成的复合材料。

本发明的开放式表面等离子激元狭缝光波导具有以下优点：

本发明所设计的开放式表面等离子激元狭缝光波导保持了传统金属狭缝波导的强模场限制能力，同时进一步降低了其传输损耗。

该波导结构简单，可与平面波导的加工工艺相兼容。因此可用于实现集成光子器件。

附图说明

图1是开放式表面等离子激元狭缝光波导的结构示意图。区域1为基底层，区域2为与基底层相接的矩形介质区域，其宽度为w_b，高度为h₂；区域3为与包层相接的倒梯形介质区域，其高度为h₃，下表面的宽度为w_b，上表面的宽度为w_t；区域4、5为区域2、3两侧的金属区域；区域6为包层。

图2是实例所述开放式表面等离子激元狭缝光波导的结构图。201为基底层，n_s为其折射率；202为与基底层相接的矩形介质区域，其宽度为w_b，高度为h₂；203为与包层相接的倒梯形介质区域，其高度为h₃，下表面的宽度为w_b，上表面的宽度为w_t；206为包层；202、203、206的折射率均为n_s；204和205为金属区域，其折射率均为n_m。

图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述开放式表面等离子激元狭缝光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度。

图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述开放式表面等离子激元狭缝光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率随宽度w_t的变化曲线。

图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述开放式表面等离子激元狭缝光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随宽度w_t的变化曲线。

图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述开放式表面等离子激元狭缝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宽度w_t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/[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：

图2是实例所述开放式表面等离子激元狭缝光波导的结构图。201为基底层，n_s为其折射率；202为与基底层相接的矩形介质区域，其宽度为w_b，高度为h₂；203为与包层相接的倒梯形介质区域，其高度为h₃，下表面的宽度为w_b，上表面的宽度为w_t；206为包层；202、203、206的折射率均为n_s；204和205为金属区域，其折射率均为n_m。

在本实例中，传输的光信号的波长选定为1.55μm，204和205的材料为银，在1.55μm波长处的折射率为0.1453+i*11.3587；201、202、203和206的材料均设为空气，其折射率为1。

在本实例中，202的宽度w_b＝50nm，高度h₂＝50nm；203的高度h₃＝3000nm，下表面宽度w_b＝50nm，上表面宽度w_t的取值范围为100-1000nm。

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时实例所述开放式表面等离子激元狭缝光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度(w_t＝600nm)。由图3可见，所述开放式表面等离子激元狭缝光波导光场的电场强度在介质区域内有明显的增强效应。

图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述开放式表面等离子激元狭缝光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率随宽度w_t的变化曲线。由图4可见，所述表面等离子激元模式的有效折射率随宽度w_t增大而减小。

图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述开放式表面等离子激元狭缝光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随宽度w_t的变化曲线。由图5可见，所述表面等离子激元模式的传输距离介于30～45微米之间，且随宽度w_t增大而增大。

图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述开放式表面等离子激元狭缝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宽度w_t的变化曲线。由图6可见，所述表面等离子激元模式的归一化模场面积随宽度w_t增大而减小且远小于1，说明其可以实现深亚波长的模场限制能力。

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)

1.一种开放式表面等离子激元狭缝光波导，其横截面包括基底层、位于基底层上的从下往上依次排列的两个介质区域，位于基底层上的介质区域两侧的两个金属区域以及包层；两个介质区域之间紧密相接，其中与基底层相接的介质区域的截面的形状为矩形，与包层相接的介质区域的截面的形状为倒梯形；与基底层相接的介质区域的高度为所传输的光信号的波长的0.02-0.2倍，其宽度所传输的光信号的波长的0.02-0.2倍；与包层相接的介质区域的高度为所传输的光信号的波长的0.3-5倍，其下表面的宽度小于其上表面的宽度，且其下表面的宽度和与基底层相接的介质区域的宽度相等，与包层相接的介质区域的上表面的宽度为所传输的光信号的波长的0.03-100倍；除基底层、介质区域及包层以外的区域由两个金属区域填充；基底层、位于基底层上的两个介质区域以及包层的材料为相同材料或不同材料，介质区域左、右两侧的两个金属区域的材料为相同材料或不同材料；金属区域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、或是上述金属构成的复合材料。

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