[发明专利]一种亚波长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，具体涉及一种亚波长表面等离子激元光波导。

背景技术

作为纳米光子学的新兴研究领域之一，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。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。

本发明则提出了一种具备较低传输损耗的金属/介质/金属型亚波长表面等离子激元光波导结构。所提波导改变了传统金属/介质/金属型波导所采用的平板三明治结构，通过引入具有角度差的“∨”字形金属基底和“∨”字形金属包层，使得该结构不仅能保持较强的模场约束能力，同时具有较低的传输损耗，从而进一步改善了金属/介质/金属型波导的模式特性。此波导对于实现各类光子器件及构建光子芯片具有一定的意义。

发明内容

本发明的目的是进一步降低金属/介质/金属型表面等离子激元光波导的传输损耗，提出一种低损耗的亚波长表面等离子激元光波导结构。

本发明提供了一种具备强模场约束能力及低模式损耗的表面等离子激元光波导，其横截面包括金属基底层、位于金属基底层上的介质层及位于介质层上的金属包层；金属基底层在与介质层相邻的区域呈“∨”字形或“一”字形，金属包层在与介质层相邻的区域呈“∨”字形；当金属基底层为“∨”字形时，金属基底层的顶角位于金属包层的顶角的正下方；金属基底层中心的外顶角大于0度且不大于180度，金属包层中心的内顶角大于0度且小于180度，金属基底层中心的外顶角大于金属包层中心的内顶角，金属基底层和金属包层的最小间距范围为所传输光信号的波长的0.006-0.1倍；金属基底层和金属包层的材料为相同材料或不同材料。

所述光波导结构中金属基底层和金属包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。

本发明的表面等离子激元光波导具有以下优点：

本发明所设计的表面等离子激元光波导保持了传统金属/介质/金属型波导较强的模场限制能力，能够实现模场的亚波长约束，同时进一步降低了传输损耗。因此有利于构建各类集成光子器件。

附图说明

图1是亚波长表面等离子激元光波导的结构示意图。区域1为金属基底层，其中心的外顶角为θ_b；区域2为介质层，其最小厚度为h；区域3为金属包层，其中心的内顶角为θ_t；区域1和区域3的最小间距为h。

图2是实例1所述亚波长表面等离子激元光波导的结构图。201为金属基底层，其中心的外顶角为θ_b，n_m为其折射率；202为介质层，其最小厚度为h；203为金属包层，中心的内顶角为θ_t，n_m为其折射率。

图3是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述亚波长表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度分布图。

图4是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述亚波长表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率随厚度h的变化曲线。

图5是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述亚波长表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的传输距离随厚度h的变化曲线。

图6是传输光信号的波长为1.55μm时实例1所述亚波长表面等离子激元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厚度h的变化曲线。