CN103955022A - 一种楔型表面等离子体波导 - Google Patents

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陈明
童秀倩
李海鸥
尚军萍
陈辉
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Abstract

本发明为一种楔型表面等离子体波导，包括低损耗金属材料制作的金属基底和其上的横截面为三角形的金属楔，金属楔的尖端附着介质层。介质层外部为真空包围。金属楔横截面的三角形的三个角均为锐角。介质层为二氧化硅或硅或氟化镁。介质层附着于金属楔两侧面、外表面为平面，由上至下逐渐减薄。等同条件的本发明与单楔型表面等离子体波导相比，有效提高了表面等离子体波的传播距离和有效模场面积之间的比值，最终品质因数提高了一个数量级；实现表面等离子体波导导光功能的同时，有效地减少信道间串扰，有利于光子电路的微型化和提高集成度；且本波导结构简单，易于实施。

Description

一种楔型表面等离子体波导
技术领域
本发明属于纳米光子学领域中的一种波导，具体涉及一种楔型表面等离子体波导。
背景技术
近年来，传统介质集成光学器件的发展受到了衍射极限的限制，小型化集成化方面遇到了瓶颈，但是表面等离子体波可以把光限制在纳米尺寸，因此，利用表面等离子体波来实现亚波长器件成了研究热点。
表面等离子体波是慢波，跟常规介质的波相比，具有较大的相速度，更短的波长，更高的动量，更高的波阻抗，然而金属的介电常数在光波波段是负数，其虚部表示金属吸收光的能力，这种结构是以损耗为代价的，其限制性和损耗是一对永恒的矛盾，限制性越强，必然引起较大的损耗，较大的模斑面积可以减少损耗。因此，如何在限制性和损耗之间找到一个很好的平衡点是表面等离子体波导设计需要考虑的问题。而限制性和损耗分别由模场面积和传播距离体现。但在之前的研究中，一些研究者片面追求传播距离，而忽视了有效模场面积，较大的模场面积会导致波导在应用中可能导致光子集成电路集成度不高，导致相邻信道间出现串扰。
单楔型表面等离子体波导是近年出现的一种表面等离子体波导，在长条的金属基底上有一长度与基底相同的、截面为三角形的金属楔，所用金属为低损耗金属，即该金属材料的介电常数具有一个大的负实部和小的虚部。单楔型表面等离子体波导的优点是可以把能量限制在三角楔的顶角部分，但其片面的追求传播距离，忽略了有效模场面积，最终导致模场面积大，相邻信道间容易产生串扰，为了避免串扰，则需要增大器件尺寸，故会降低光子集成电路的集成度。
发明内容
本发明的目的是设计一种改进的楔型表面等离子体波导，在原有单楔型表面等离子体波导的尖端上覆盖一层介质层。相比于传统的单楔型表面等离子体波导，极大的减小了有效模场面积，为光子集成电路的微型化和集成化提供了可能。
本发明设计的一种楔型表面等离子体波导包括长条的金属基底和其上的长度与基底相同的、横截面为三角形的金属楔，所述金属基底和金属楔为低损耗金属材料制作，其特征在于所述金属楔的尖端附着介质层。介质层外部为真空包围，即该波导置于真空环境中。
所述金属楔横截面的三角形的三个角均为锐角。优选方案的金属楔顶部尖端角度为30～40度。
所述低损耗金属材料为银、铜、金、铝中的任一种。最优选择金属材料为银。
所述介质层为二氧化硅、或硅、或氟化镁。
所述介质层附着于金属楔两侧面，金属楔两侧面上附着的介质层外表面为平面，介质层外表面的交角小于金属楔尖端的角度θ，金属楔两侧面上的介质层由上至下逐渐减薄。
所述金属楔的高度h，即金属楔尖端至金属基底表面的垂直距离，h≥1.3μm。
所述金属楔尖端的介质层厚度为Th，5nm≤Th≤500nm。
本发明的有益效果是：1、等同条件的本发明楔型表面等离子体波导与单楔型表面等离子体波导相比，虽然传播距离减小10％，但有效模场面积可减小90％以上，有效提高了表面等离子体波的传播距离和有效模场面积之间的比值，最终品质因数提高了一个数量级；2、实现表面等离子体波导导光功能的同时，有效地减少信道间串扰，有利于光子电路的微型化和提高集成度；3、波导结构简单，易于实施。
附图说明
图1为本楔型表面等离子体波导实施例的横向剖面图。
图中标号为：
1、金属基底，2、金属楔，3、介质层，4、真空环境；
h为金属层楔型尖端的高度，
θ为金属楔尖端的角度，
Th为金属楔尖端介质层的厚度。
具体实施方式
下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本楔型表面等离子体波导实施例如图1所示，金属基底1和其上的金属楔2为金属银制成，相对介电常数εmetal＝-129+3.3i，介质层2为二氧化硅，相对介电常数εd＝2.25，真空环境的相对介电常数εair＝1。本例金属楔2尖端的高h＝2μm，金属楔2尖端角度θ＝40°，本例二底角相等，也可为不等的锐角。金属楔尖端附着的介质层3厚度为Th＝5nm，所述介质层3附着于金属楔2两侧面，介质层3由上至下逐渐减薄，至金属基底1的表面介质层厚度减为0，金属楔2两侧面上的介质层3外表面为平面。
本实施例采用工作波长λ＝1.55μm,得到传播长度的范围是180～340μm，模场面积减小至0.003～0.02μm2,品质因数比同等条件的单楔型表面等离子体波导改善10～30倍。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种楔型表面等离子体波导，包括长条的金属基底(1)和其上的长度与金属基底(1)相同的、横截面为三角形的金属楔(2)，所述金属基底(1)和金属楔(2)为低损耗金属材料制作，其特征在于：
所述金属楔(2的尖端附着介质层(3)，介质层(3)外部为真空包围，即该波导置于真空环境(4)中。
2.根据权利要求1所述的楔型表面等离子体波导，其特征在于：
所述金属楔(2)横截面的三角形的三个角均为锐角。
3.根据权利要求2所述的楔型表面等离子体波导，其特征在于：
所述金属楔(2)顶部尖端角度(θ)为30～40度。
4.根据权利要求1所述的楔型表面等离子体波导，其特征在于：
所述低损耗金属材料为银、铜、金、铝中的任一种。
5.根据权利要求1所述的楔型表面等离子体波导，其特征在于：
所述低损耗金属材料为银。
6.根据权利要求1所述的楔型表面等离子体波导，其特征在于：
所述介质层(3)为二氧化硅、或硅、或氟化镁。
7.根据权利要求1所述的楔型表面等离子体波导，其特征在于：
所述介质层(3)附着于金属楔(2)两侧面，金属楔(2)两侧面上附着的介质层(3)外表面为平面。
8.根据权利要求7所述的楔型表面等离子体波导，其特征在于：
所述介质层(3)外表面的交角小于金属楔(2)尖端的角度(θ)，金属楔(2)两侧面上的介质层(3)由上至下逐渐减薄。
9.根据权利要求1所述的楔型表面等离子体波导，其特征在于：
所述金属楔(2)的高度h≥1.3μm。
10.根据权利要求1所述的楔型表面等离子体波导，其特征在于：
所述金属楔(2)尖端的介质层(3)厚度为Th，5nm≤Th≤500nm。
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