[发明专利]一种多层混合型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，具体涉及一种多层混合型表面等离子激元光波导。

背景技术

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。

介质/金属/介质型波导和金属/介质/金属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。针对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，加州大学伯克利分校的张翔研究小组提出了一种混合型表面等离子激元光波导，他们的研究发现在低折射率介质/金属表面的附近添加一个高折射率介质层，可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。

本发明则提出了一种具备低传输损耗的多层混合型表面等离子激元光波导。多层结构中的两个高折射率介质层和其中间低折射率介质层中的金属区域之间的耦合使得传输光场能够得到较好的限制同时保持了较低的传输损耗。所提多层结构与平面加工工艺相匹配，可用于构建各类功能性集成光子器件。

发明内容

本发明提供了一种具备亚波长光场限制能力和低传输损耗的多层混合型表面等离子激元光波导，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的低折射率介质层、嵌于低折射率介质层中的金属区域、位于低折射率介质层上的高折射率介质层以及包层；其中，位于基底层上的高折射率介质层、低折射率介质层以及位于低折射率介质层上的高折射率介质层的宽度相等且为所传输的光信号的波长的0.09-0.35倍，位于基底层上的高折射率介质层的高度和位于低折射率介质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0.09-0.25倍；低折射率介质层的高度为所传输的光信号的波长的0.009-0.2倍；嵌于低折射率介质层中的金属区域的宽度为所传输的光信号的波长的0.0129-0.35倍，且不大于低折射率介质层的宽度，金属区域的高度为所传输的光信号的波长的0.006-0.19倍，且小于低折射率介质层的高度，金属区域与位于基底层上的高折射率介质层以及位于低折射率介质层上的高折射率介质层不相接触；位于基底层上的高折射率介质层和位于低折射率介质层上的高折射率介质层的材料为相同或不同材料，且两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和位于低折射率介质层上的高折射率介质层的材料折射率的最小值的比值小于0.75；所述结构中位于基底层上的高折射率介质层、低折射率介质层以及位于低折射率介质层上的高折射率介质层的截面的形状为矩形。

所述光波导结构中金属区域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。

所述光波导结构中嵌于低折射率介质层中的金属区域的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

本发明的多层混合型表面等离子激元光波导具有以下优点：

本发明所设计的光波导兼具良好的模场限制能力和低传输损耗这两大优点，且在金属区域附近的场增强效应可被用于非线性光学、光镊等领域中。

该混合型波导所基于的多层平面结构可与现有的平板波导的加工工艺相匹配，易实现，可用于构建各类集成光器件和光子芯片。

附图说明