[发明专利]表面等离激元波导

说明书

技术领域

本发明涉及波导领域，特别涉及一种表面等离激元波导。

背景技术

当光波(电磁波)入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子将发生集体振荡，光波与所述金属表面附近的自由电子耦合而形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波。如果所述金属表面的自由电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下，电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时，便形成了一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强。这种现象被称为表面等离激元(SurfacePlasmon)现象。

由于表面等离激元的上述现象，使得人们可以利用表面等离激元在微米乃至纳米尺度的范围内对光(电磁波)进行操控，因此普遍认为表面等离激元将在纳米光子学领域获得重要应用。基于表面等离激元的各种器件的研究以及相关理论研究成为近年来的热点，吸引着众多科研人员的关注。

目前，随着信息技术的飞速发展，对于器件微型化和高度集成化的要求越来越高，在纳米尺度上实现信息的传输处理已经成为科学研究的一个重要课题。表面等离激元能够突破衍射极限，并具有很强的局域场增强特点，可以实现纳米尺度的光信息传输与处理。另外表面等离激元的独特特性，使得它在高灵敏生物检测、传感和新型光源等领域获得了广泛的应用。

在纳米尺度的光信息传输的相关研究中，表面等离激元波导是一个重要的研究方向，并且已有一些相关的成果。例如，金属层与低折射率介质层依次叠放而形成多层波导结构；又如负载介质的表面等离激元波导(Dielectric-loadedsurfaceplasmon-polaritonwaveguides)等。

负载介质的表面等离激元波导是在金属上或金属膜上进行制备，高折射率介质作为波导的芯层，外围低折射率介质部分为包层。因为在芯层和包层界面处的表面等离激元是以全内反射的形式沿波导传播，导致在包层中有一定比例的能量传播，使得能量的局域性变差。另外，上述两种波导结构中，如果两个波导距离较近，则会产生模式的重叠出现串扰，同时，上述两种波导在转弯时对转弯半径有限制，不能实现小转弯半径的转弯，在转弯半径不太大，例如转弯半径不超过等效波长的情况下，对转弯角度也有限制，不能实现180度甚至360度的大角度转弯。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种表面等离激元波导，以使得表面等离激元传播的局域性好，避免波导间的串扰，并实现表面等离激元的小半径大角度转弯传播。

本申请的技术方案是这样实现的：

一种表面等离激元波导，包括：

金属衬底，以及位于所述衬底上的且相互平行的至少2个金属墙；

所述金属墙之间形成沟槽，使得表面等离激元在所述沟槽底部的金属衬底表面沿着所述沟槽的延伸方向传播。

进一步，所述表面等离激元波导还包括：

位于所述金属衬底表面和金属墙表面的介质层。

进一步，所述金属墙之间的沟槽宽度大于所述表面等离激元等效波长的一半。

进一步，所述金属墙的高度大于等于50nm。

进一步，所述金属墙的厚度大于等于所述表面等离激元在该金属墙中穿透深度的4倍。

进一步，所述金属墙的厚度大于等于100nm。

进一步，在工作波长下，所述金属衬底和金属墙材料的介电常数的实部小于零。

进一步，所述金属衬底材料和金属墙材料相同或者不同。

进一步，所述金属墙材料由一种材料构成；或者，所述金属墙材料由叠加的至少两种材料层构成。

进一步，所述金属衬底和金属墙的材料包括金、银、铝中至少1种金属或者至少2种金属的合金。

进一步，所述介质层材料的介电常数实部大于零，且所述介质层材料的介电常数实部的绝对值小于所述金属衬底和金属墙材料介电常数实部的绝对值。

进一步，所述介质层材料包括空气、水、二氧化硅和/或硅。

进一步：

位于所述沟槽两侧的金属墙侧壁在所述金属衬底表面呈直线延伸；或者

位于所述沟槽两侧的金属墙侧壁在所述金属衬底表面呈折线延伸；或者

位于所述沟槽两侧的金属墙侧壁在所述金属衬底表面呈曲线延伸；或者

位于所述沟槽两侧的金属墙侧壁在所述金属衬底表面呈直线、折线和曲线相结合形式延伸。