CN111880260B - 一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导 - Google Patents

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Abstract

一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，包括衬底以及设置于衬底上的脊形波导结构；脊形波导结构由贵金属层以及光子晶体组成，光子晶体设置于衬底与贵金属层二者之间；光子晶体为多层结构、由自上而下交替层叠设置的高折射率介质层及低折射率介质层组成。本发明所提出的一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，结构紧凑、布局合理，不仅有利于波导使用过程中的光子集成，而且充分地提升了Tamm等离激元模式的传输距离。

Description

一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导
技术领域
本发明为一种脊形波导，具体涉及一种可应用于高密度光子集成、全光网络等各项技术中的长传输距离Tamm等离激元脊形波导，属于微纳光子学领域。
背景技术
电磁表面波是一种被束缚在介质界面上的特殊电磁波，最著名的电磁表面波莫过于在介质-金属界面上激发的表面等离激元(Surface plasmon polaritons，SPPs)，它的本质就是在介质-金属界面上光和金属表面的自由电子互相作用而激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等特性，能够突破衍射极限，是目前实现全光集成的方法之一。SPPs可以根据模式传播特性分成两大类：一种是场强局域在金属粒子表面，因为尺寸受限而无法在界面上传播的表面等离激元，即局域型表面等离激元（Localized Surface Plasmon Polariton，LSPP）；还有一种是可以沿金属-介质界面传播的传导型表面等离激元（Propagating Surface Plasmon Polariton，PSPP）。
全光集成是微纳光子学的重要发展方向，其中高性能微纳光子器件的设计和集成是关键问题之一，要求单元器件的尺寸越来越小, 器件的空间距离也越来越小, 并且能够在纳米尺度实现超衍射极限的光学调控。纳米光波导是光集成电路中有效连接各种光子学器件和单元的重要元件，近年来多种纳米光波导结构被提出，例如：具有较大折射率差的硅脊介质波导、基于光子晶体结构的介质波导、表面等离激元光波导等。由于SPPs能够突破衍射极限的特性，基于SPPs的各种表面等离激元光波导则能提供更紧密的束缚效果，如条型波导、绝缘体-金属-绝缘体(MIM)波导、横向槽型波导、楔形波导等。虽然表面等离激元光波导具有较好的光场约束能力，然而由于欧姆损耗的存在，传输损耗较大，传输距离通常也只有几微米。
针对传统表面等离激元光波导的模场限制能力和传输损耗之间的矛盾，2007年，加拿大多伦多大学的Alam等人第一次提出混合等离激元波导（Hybrid PlasmonicWaveguide, HPW）。混合等离激元波导的关键在于“混合”，即利用金属－介质界面形成的表面等离激元以及高低折射率差介质间电场不连续形成的传导模式混合成一种新的模式。此时，光场局限在中间的低折射率介质层得到明显增强，同时使得金属吸收小、传输距离增长。但是，由于SPPs对于入射光偏振态具有依赖性，只有TM偏振光才能有效激发SPPs，因此表面等离激元波导以及混合表面等离激元波导都对入射光偏振态具有依赖性。
光学Tamm态(Optic Tamm states, OTS)是一种新型的无耗散局域界面模式，是一种由半导体超晶格中的电子Tamm态类比而来的光学局域态。目前能够激发OTS的结构主要有两种，一维光子晶体异质结结构和金属-分布式布拉格反射镜(Distributed BraggReflector，DBR)结构。在一维光子晶体异质结中，电磁波不是由于全内反射被束缚在表面，而是由于光子晶体存在的光子禁带被禁锢在界面上，形成局域的场增强。在金属-DBR结构中，由于OTS的激发频率位于DBR禁带的中心频率附近且低于金属等离子体频率，因此DBR中的布洛赫波以倏逝波的形式存在，电磁波被限制在金属和DBR的界面上，类似于SPPs，这种类型的OTS，被称为Tamm等离激元(Tamm Plasmon Polaritons，TPPs)。
相对于SPPs，TPPs在激发机制和光学特性上具有诸多的优越性。其色散曲线位于光锥内侧，不需要特定的入射角或色散调节元件。对入射光偏振态没有偏振依赖性，TE和TM偏振光都能够有效激发，激发条件更为宽松，更加易于实现。其次，TPPs线宽极窄，比SPPs的线宽小接近一个数量级, 因而一般具有较大局域场增强的共振模式。再次，TPPs形成于光子晶体界面上，为全介质结构，具有更小的损耗。
综上所述，TPPs激发条件宽松，具有很强的光场局域性，能够突破衍射极限，实现微纳尺度上的光操控，同时又克服了SPPs对入射光偏振态的依赖性。如何基于上述研究现状，设计出一种全新的微纳光子器件，以克服现有技术中所存在的诸多不足，也就成为了本领域内技术人员所共同关注的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在上述缺陷，本发明的目的是提出一种可应用于高密度光子集成、全光网络等各项技术中的长传输距离Tamm等离激元脊形波导，具体如下。
一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，包括衬底以及设置于所述衬底上的脊形波导结构；所述脊形波导结构由贵金属层以及光子晶体组成，所述光子晶体设置于所述衬底与所述贵金属层二者之间；所述光子晶体为多层结构、由自上而下交替层叠设置的高折射率介质层及低折射率介质层组成。
优选地，所述贵金属层的材质为金或银。
优选地，所述贵金属层的材质为银。
优选地，所述高折射率介质层的折射率为2~4，所述低折射率介质层的折射率为0.5~1.5。
优选地，所述高折射率介质层的材质为TiO2，所述低折射率介质层的材质为SiO2；所述高折射率介质层的折射率为2.430，所述低折射率介质层的折射率为1.457。
优选地，在所述光子晶体的多层结构中，位于最顶层的介质层与位于最低层的介质层相同、二者均为所述高折射率介质层。
优选地，所述贵金属层、所述高折射率介质层以及所述低折射率介质层三者的厚度均小于所述长传输距离Tamm等离激元脊形波导使用过程中的入射光波长。
优选地，所述光子晶体的周期数为5~10。
优选地，所述光子晶体的周期数为7。
与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：
本发明所提出的一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，结构紧凑、布局合理，不仅有利于波导使用过程中的光子集成，而且充分地提升了Tamm等离激元模式的传输距离。在实际应用时，本发明的长传输距离Tamm等离激元脊形波导对入射光偏振态没有依赖性，TM偏振和TE偏振入射光都能有效激发贵金属-光子晶体界面上的Tamm等离激元模式。
同时，本发明的硬件结构简单、材料易得、生产和制备过程容易实现，为后续大规模的生产、应用提供了坚实基础。
此外，本发明还为高密度光子集成、全光网络等领域内的各项相关研究和应用提供了一种全新的思路，可以以此为依据进行拓展延伸和深入研究，行业应用前景广阔。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为不同偏振态下本发明的色散曲线；
图3为本发明在TM偏振、1550nm光入射时所激发的TPPs模式磁场|Hy|分布图及沿波导中心竖直方向场分布曲线；
图4为本发明在TE偏振、1550nm光入射时所激发的TPPs模式电场|Ey|分布图及沿波导中心竖直方向场分布曲线；
图5为本发明在不同偏振态下TPPs模式的传输距离随波导脊宽度的变化关系图；
其中： 1、衬底；2、贵金属层；3、光子晶体；31、高折射率介质层；32、低折射率介质层。
具体实施方式
本发明针对表面等离激元波导以及混合表面等离激元波导对入射光偏振态的依赖性以及传输距离较短的等问题，提出了一种可应用于高密度光子集成、全光网络等各项技术中的长传输距离Tamm等离激元脊形波导，具体如下。
如图1所示，一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，包括衬底1以及设置于所述衬底1上的脊形波导结构；所述脊形波导结构由贵金属层2以及光子晶体3组成，所述光子晶体3设置于所述衬底1与所述贵金属层2二者之间，所述脊形波导结构的宽度w为2000nm。
所述贵金属层2的材质为金或银。在本方案的实施例中，所述贵金属层2的材质为银，所述贵金属层2的厚度dm为90nm，
所述光子晶体3为多层结构、由自上而下交替层叠设置的高折射率介质层31及低折射率介质层32组成。所述光子晶体3的周期数为5~10。在本方案的实施例中，所述光子晶体3的周期数为7。
所述高折射率介质层31的折射率为2~4，所述低折射率介质层32的折射率为0.5~1.5。在本方案的实施例中，所述高折射率介质层31的材质为TiO2、厚度d1为200nm，所述低折射率介质层32的材质为SiO2、厚度d2为310nm，所述高折射率介质层31的折射率为2.430，所述低折射率介质层32的折射率为1.457。
此外，在本方案的实施例中，在所述光子晶体3的多层结构中，位于最顶层的介质层与位于最低层的介质层相同、二者均为所述高折射率介质层31。
在本方案的实施例中，所述长传输距离Tamm等离激元脊形波导使用过程中的入射光波长为1550nm，所述脊形波导结构的尺寸与入射光波长为同一量级；所述贵金属层2、所述高折射率介质层31以及所述低折射率介质层32三者的厚度均小于入射光波长。
由于银的介电常数随着电磁波频率的变化而变化，本实施例选用描述金属色散关系的Drude模型来确定在某个波段或者某个波长下的银介电常数
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为带间跃迁对介电常数的贡献，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
eV为等离子体共振频率，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
eV为电子碰撞频率。贵金属层2为银、入射光波长为1550nm时，贵金属层2的折射率为0.1453+11.3587 i。
图2为本方案的在不同偏振态下，所激发的Tamm等离激元模式的色散关系曲线。其色散曲线呈抛物线型，位于光锥内侧，TM、TE偏振光都能直接激发金属-光子晶体界面的TPPs，不需要特定的色散补偿元件，结构更简单。
图3为本方案的实施例在TM偏振、1550nm光入射时，所激发的TPPs模式磁场|Hy|分布图及沿波导中心竖直方向场分布曲线，根据波导理论，TM偏振下光场的非零分量为Ez分量、Ex分量和Hy分量，因此这里使用Hy分量来表示TM偏振光入射时的场分布。由模场分布及沿波导中心竖直方向场分布曲线可以看出，光场被局域在金属和光子晶体界面处，在金属内迅速衰减，在光子晶体内振荡衰减。
图4为本方案的实施例在TE偏振、1550nm光入射时，所激发的TPPs模式电场|Ey|分布图及沿波导中心竖直方向场分布曲线。根据波导理论，TE偏振下光场的非零分量为Hz分量、Hx分量和Ey分量，因此这里使用Ey分量来表示TE偏振光入射时的场分布。由模场分布及沿波导中心竖直方向场分布曲线可以看出，光场被局域在金属和光子晶体界面处，在金属内迅速衰减，在光子晶体内振荡衰减。与TM偏振下的TPPs模式相比，TE偏振下的TPPs模式在光子晶体中扩散的较浅，场局域性能更好。
在本方案的实施例中传播距离Lp定义为模式衰减至场强度e-1处所传输的距离：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
其中，λ为入射波长，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为TPPs模式的有效折射率虚部，模式的有效折射率虚部体现了模式在波导中传输损耗的大小。
图5为本方案的实施例在不同偏振态下的TPPs模式传输距离随波导脊宽度的变化关系图。可以看出随着结构宽度的变大，TM偏振下的TPPs模式的传输距离逐渐增大，并最终趋于稳定，且在w=2000nm附近时，传播距离可以达到1180
Figure DEST_PATH_IMAGE014
。而TE偏振态下的TPPs变化幅度很小，且在w=2000nm附近时，传播距离可以达到331
Figure 188641DEST_PATH_IMAGE014
。
综上所述，本发明所述的长传输距离Tamm等离激元脊形波导具有以下几个方面的优点：
1、本发明的长传输距离Tamm等离激元脊形波导硬件结构简单，加工材料较为常见，加工过程易于实现。
2、本发明的长传输距离Tamm等离激元脊形波导对入射光偏振态没有依赖性，TM偏振和TE偏振入射光都能够有效激发贵金属-光子晶体界面上的Tamm等离激元模式。
3、本发明的长传输距离Tamm等离激元脊形波导通过合理设计，使模式的传输距离大大增加。当TM偏振光入射时，Tamm等离激元模式传输距离可以达到1180μm；当TE偏振光入射时，Tamm等离激元模式传输距离可以达到331μm 。
4、本发明的长传输距离Tamm等离激元脊形波导结构紧凑，便于光子集成，在高密度光子集成、全光网络等领域有着重要的应用前景。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
最后，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，其特征在于：包括衬底（1）以及设置于所述衬底（1）上的脊形波导结构；所述脊形波导结构由贵金属层（2）以及光子晶体（3）组成，所述光子晶体（3）设置于所述衬底（1）与所述贵金属层（2）二者之间；所述光子晶体（3）为多层结构、由自上而下交替层叠设置的高折射率介质层（31）及低折射率介质层（32）组成，所述高折射率介质层（31）的折射率为2~4，所述低折射率介质层（32）的折射率为0.5~1.5，TM偏振光入射时，Tamm等离激元模式传输距离可以达到1180μm；TE偏振光入射时，Tamm等离激元模式传输距离可以达到331μm。
2.根据权利要求1所述的一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，其特征在于：所述贵金属层（2）的材质为金或银。
3.根据权利要求1所述的一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，其特征在于：所述高折射率介质层（31）的材质为TiO2，所述低折射率介质层（32）的材质为SiO2；所述高折射率介质层（31）的折射率为2.430，所述低折射率介质层（32）的折射率为1.457。
4.根据权利要求1所述的一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，其特征在于：在所述光子晶体（3）的多层结构中，位于最顶层的介质层与位于最低层的介质层相同、二者均为所述高折射率介质层（31）。
5.根据权利要求1所述的一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，其特征在于：所述贵金属层（2）、所述高折射率介质层（31）以及所述低折射率介质层（32）三者的厚度均小于所述长传输距离Tamm等离激元脊形波导使用过程中的入射光波长。
6.根据权利要求1所述的一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，其特征在于：所述光子晶体（3）的周期数为5~10。
7.根据权利要求1所述的一种长传输距离Tamm等离激元脊形波导，其特征在于：所述光子晶体（3）的周期数为7。
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