[发明专利]一种低损耗表面等离子激元光波导

说明书

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种低损耗表面等离子激元光波导。

背景技术

表面等离子激元是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式。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。在适当的金属与介质组成的表面等离子激元光波导结构中，横向光场分布可被限制在几十纳米甚至更小的范围内，能够超过衍射极限的限制。表面等离子激元已在纳米光子学领域中显示出巨大的应用潜力，并为实现高集成度纳米光子芯片提供了可能。

模场限制能力和传输损耗是表征表面等离子激元光波导模式特性的两个重要参数。传统的表面等离子激元光波导主要包括金属/介质/金属型和介质/金属/介质型两类结构。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。

解决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，开发具有新特性的表面等离子激元光波导一直是研究人员努力的方向。在波导中引入高折射率的材料(例如半导体材料)作为介质层可以缩小波导的整体尺寸并提高模场限制能力，但是随之引起的传输损耗会明显增大。

为解决该问题，本发明在上述含有高折射率介质的表面等离子激元光波导原有结构的基础上对其进行了改进。通过引入高、低折射率介质组成的复合结构，得到的新型表面等离子激元光波导同时具备较低传输损耗和较强的模场限制能力。由于低折射率介质区域可以采用空气或其它气体填充，该波导的传输损耗可以得到显著降低，另一方面场增强效应得到进一步加强。此外由于所提波导的高折射率介质层可以采用半导体材料，因此该二维结构可与半导体平面芯片加工工艺匹配，易应用于高集成度的光波导芯片中，对于实现大规模集成光路具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服含有高折射率介质的表面等离子激元光波导传输损耗大的缺陷，提出一种同时具备低传输损耗和较强场限制能力的表面等离子激元光波导结构。

本发明提供了一种同时具备低传输损耗和强场约束能力的表面等离子激元光波导结构，其横截面包括介质基底层、位于介质基底层上的高折射率介质区域、高折射率介质区域上方的金属层、被高折射率介质区域和金属层包围的低折射率介质区域以及包层；其中，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，低折射率介质区域上方与金属层下方相接，且低折射率介质区域的宽度范围为高折射率介质区域宽度的0.15-0.9倍，其高度范围为高折射率介质区域宽度的0.15-0.9倍，金属层的宽度大于低折射率介质区域的宽度且不大于高折射率介质区域的宽度；高折射率介质的材料折射率高于介质基底层、低折射率介质区域、以及包层的材料折射率，介质基底层的材料折射率大于1.4，介质基底层、低折射率介质区域和包层的材料可为相同材料或不同材料，介质基底层、低折射率介质区域和包层的材料折射率的最大值与高折射率介质的材料折射率的比值小于0.75。

所述结构中金属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、或是上述金属构成的复合材料。

所述结构中高折射率介质区域与低折射率介质区域共同构成的区域的截面的外轮廓形状为正方形、矩形、或梯形中的任何一种。

所述结构中低折射率介质区域的截面的形状为正方形、矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

本发明的表面等离子激元光波导具有以下优点：

1.所提表面等离子激元光波导的低折射率介质区域的材料可以采用二氧化硅等低折射率材料或者其它低折射率聚合物材料，也可以采用空气及其它气体填充，其传输损耗可以得到显著降低，另一方面场增强效应得到进一步加强，传统的基于高折射率介质的表面等离子激元光波导则无法实现这一目标。

2.所提表面等离子激元光波导与现有的基于低折射率的表面等离子激元光波导相比，其尺寸明显缩小，提高了集成度，同时保持较低的传输损耗。与基于高折射率的表面等离子激元光波导相比，其传输损耗大大降低，同时保持了亚波长模场限制能力。