CN102608700A

CN102608700A - 一种混合狭缝光波导

Info

Publication number: CN102608700A
Application number: CN2012100419590A
Authority: CN
Inventors: 郑铮; 卞宇生; 赵欣; 苏亚林; 刘磊; 刘建胜
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2012-07-25

Abstract

本发明公开了一种具备低传输损耗和强光场限制能力的混合狭缝光波导，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高折射率介质层(2)、位于高折射率介质层(2)上的从左到右依次排列的高折射率介质区(3)、包覆有低折射率介质层(6)的金属区(5)、高折射率介质区(4)以及包层(7)。金属区与两侧紧邻的高折射率介质区的耦合，使得光场能够限制在中心的狭缝区域中，同时能保持较低的传输损耗。该混合狭缝光波导与传统介质狭缝波导加工工艺相匹配，可用于构建各类集成光子元件。

Description

一种混合狭缝光波导

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种混合狭缝光波导。

背景技术

传统的介质光波导通常以高折射率材料作为波导芯，以低折射率材料作为被覆层，光场主要集中在高折射率材料构成的波导芯中传输。由于受衍射极限的影响，其尺寸往往相对较大。于2004年首次提出的介质狭缝光波导则可以实现在纳米级尺寸的低折射率介质中进行光信号的传输，突破了传统光波导尺寸的限制。该类波导由紧邻的高折射率介质区域组成，高折射率介质区域的中间为低折射率介质区。其工作原理是利用在不同介电常数材料界面上电场分量的不连续，且其大小与材料介电系数的平方成反比。利用电场分布的不连续性，低折射率材料中的光场分布密度将大大高于邻近的高折射率区域的电场分布密度，从而实现光场在低折射率材料中的传输和限制。

另一方面，表面等离子激元光波导技术近年来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。

混合型波导则是目前表面等离子激元光波导领域的一大研究热点。这类波导所基于的混合概念为传统介质波导与表面等离子激元现象的结合提供了新的途径。介质模式和表面等离子激元模式之间的高效耦合所产生的混合型模式可以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。这一概念的提出在一定程度上解决了传统表面等离子激元光波导的缺陷，有效地平衡了传输损耗和模场限制能力。

本发明则进一步将这一混合思想应用到介质狭缝波导领域，提出了一种混合狭缝光波导结构。该波导保持了经典混合波导较强的模场束缚特性，同时进一步降低了传输损耗，且其与介质狭缝波导的加工工艺相匹配，可用于构建各类无源及有源光子器件并可在非线性、光调制、光镊等领域中有广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是将混合思想与介质狭缝思想相结合，提出一种混合狭缝光波导结构。

本发明提供了一种混合狭缝光波导，其横截面包括基底层、位于基底层上一种混合狭缝光波导，其横截面包括基底层、位于基底层上的高折射率介质层、位于高折射率介质层上从左到右依次排列的高折射率介质区、包覆有低折射率介质层的金属区和高折射率介质区、以及包层；其中包覆有低折射率介质层的金属区位于两个高折射率介质区之间且与两个高折射率介质区互不接触，金属区的宽度为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍，其高度为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍，金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的宽度为所传输的光信号的波长的0.012-0.126倍，其高度为所传输的光信号的波长的0.012-0.126倍，且金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的宽度和高度分别大于金属区的的宽度和高度；位于基底层上的高折射率介质层的高度为所传输的光信号的波长的0.006-0.06倍；所述结构中位于高折射率介质层上的左、右两个高折射率介质区的宽度为所传输光信号的波长的0.03-0.3倍，高度为所传输的光信号的波长的0.03-0.3倍，且两个高折射率介质区的高度大于金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的高度；左侧的高折射率介质区的右边缘距金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的左边缘的最小宽度为所传输的光信号的波长的0.001-0.03倍，右侧的高折射率介质区的左边缘距金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的右边缘的最小宽度为所传输的光信号的波长的0.001-0.03倍。

所述混合狭缝光波导结构中金属区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。

所述混合狭缝光波导结构中位于基底层上的高折射率介质层、位于高折射率介质层上左、右两个高折射率介质区的材料为相同或不同材料，且三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位于基底层上的高折射率介质层、位于高折射率介质层上左、右两个高折射率介质区的材料折射率的最小值的比值小于0.75。

所述混合狭缝光波导结构中金属区的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形、梯形、五边形或六边形中的任何一种。

所述混合狭缝光波导结构中金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形、梯形、五边形或六边形中的任何一种。

所述混合狭缝光波导结构中位于高折射率介质层上的两个高折射率介质区的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

本发明的混合狭缝光波导结构具有以下优点：

本发明所设计的混合狭缝光波导集介质狭缝理念和混合波导的思想于一身，同时实现了极低损耗的传输和亚波长的模场限制能力。

该波导与传统的介质狭缝波导以及纳米线加工工艺相匹配，可实现与各类介质狭缝波导、表面等离子激元光波导的有效集成，因此可在光子学领域产生广泛应用

附图说明

图1是混合狭缝光波导的结构示意图。区域1为基底层，区域2为位于基底层上的高折射率介质层，其高度为h₂；区域3和区域4为位于高折射率介质层上的左、右两个高折射率介质区，区域3的宽度为w₃，高度为h₃，区域4的宽度为w₄，高度为h₄；区域5为金属区，其宽度为w₅，高度为h₅；区域6为金属区外轮廓周围包覆的低折射率介质层，其宽度为w₆，高度为h₆；区域6的左边缘到区域3的右边缘的最小距离为w₆₃，区域6的右边缘到区域4的左边缘的最小距离为w₆₄，区域7为包层。

图2是实例所述混合狭缝光波导的结构图。201为基底层，n_s为其折射率；202为位于基底层上的高折射率介质层，n_b为其折射率，h_b为其高度；203为位于202上的左侧高折射率介质区，n_h为其折射率，w_h为其宽度，h_h为其高度；204为位于202上的右侧高折射率介质区，n_h为其折射率，w_h为其宽度，h_h为其高度；205为金属区，n_m为其折射率，w_m为其宽度，h_m为其高度；206为金属区外轮廓周围包覆的低折射率介质层，n_l为其折射率，w_l为其宽度，h_l为其高度；206的左边缘到203的右边缘的最小距离以及206的右边缘到204的左边缘的最小距离均为w_g；207为包层，n_c为其折射率。

图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述混合狭缝光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度沿X轴方向的分布曲线。

图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述混合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金属区宽度w_m的变化曲线。

图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述混合狭缝光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随金属区宽度w_m的变化曲线。

图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述混合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金属区宽度w_m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：

在本实例中，传输的光信号的波长选定为1.55μm，201和206二氧化硅，其折射率为1.5；202、203和204的材料为硅，其折射率为3.5；205的材料为银，在1.55μm波长处的折射率为0.1453+i*11.3587；207的材料设为空气，其折射率为1。

在本实例中，202的高度h_b＝40nm；203和204的宽度w_h＝200nm，高度h_h＝250nm；205的宽度w_m和高度h_m始终保持相等，且取值范围为40-120nm；206的厚度均匀，且为10nm，相应地，其宽度和高度范围均为60-140nm。

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时实例所述混合狭缝光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度沿X轴方向的分布曲线。由图3可见，所述混合狭缝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时实例所述混合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金属区宽度w_m的变化曲线。由图4可见，所述光波导所支持的表面等离子激元模式的有效折射率随宽度w_m增大而增大。

图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述混合狭缝光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随金属区宽度w_m的变化曲线。由图5可见，所述光波导所支持的表面等离子激元模式的传输距离随宽度w_m增大而减小，且其最大值可突破毫米级，证实了其极低的传输损耗。

图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例所述混合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金属区宽度w_m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宽度w_m增大而减小，且始终远小于1。说明所述光波导可以实现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

1.一种混合狭缝光波导，其横截面包括基底层、位于基底层上的高折射率介质层、位于高折射率介质层上从左到右依次排列的高折射率介质区、包覆有低折射率介质层的金属区和高折射率介质区、以及包层；其中包覆有低折射率介质层的金属区位于两个高折射率介质区之间且与两个高折射率介质区互不接触，金属区的宽度为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍，其高度为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍，金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的宽度为所传输的光信号的波长的0.012-0.126倍，其高度为所传输的光信号的波长的0.012-0.126倍，且金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的宽度和高度分别大于金属区的的宽度和高度；位于基底层上的高折射率介质层的高度为所传输的光信号的波长的0.006-0.06倍；所述结构中位于高折射率介质层上的左、右两个高折射率介质区的宽度为所传输光信号的波长的0.03-0.3倍，高度为所传输的光信号的波长的0.03-0.3倍，且两个高折射率介质区的高度大于金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的高度；左侧的高折射率介质区的右边缘距金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的左边缘的最小宽度为所传输的光信号的波长的0.001-0.03倍，右侧的高折射率介质区的左边缘距金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的右边缘的最小宽度为所传输的光信号的波长的0.001-0.03倍。

2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中金属区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。

3.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中位于基底层上的高折射率介质层、位于高折射率介质层上左、右两个高折射率介质区的材料为相同或不同材料，且三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位于基底层上的高折射率介质层、位于高折射率介质层上左、右两个高折射率介质区的材料折射率的最小值的比值小于0.75。

4.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中金属区的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形、梯形、五边形或六边形中的任何一种。

5.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形、梯形、五边形或六边形中的任何一种。

6.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中位于高折射率介质层上的两个高折射率介质区的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。