[实用新型]一种表面等离子体慢光波导

说明书

技术领域

本实用新型属于纳米光子学领域中的一种波导，具体涉及一种表面等离子体慢光波导。

背景技术

表面等离子体(SPs)是一种沿着导体表面传输的电磁波，可由光波和导体表面上的电子共振激发产生。该电磁波沿着导体表面的方向上传播，在垂直导体表面的方向上呈指数衰减，因此被束缚在导体表面传播。由于表面等离子体能克服衍射极限，在微纳米器件中被认为是一种很具有前景的传输光信息的载体，通过选择不同形状的导体表面结构，可以引导表面等离子体极化不同形式的传播，特别是在纳米规模的新型光子集成回路有很大的潜力，成为研究的热点。

慢光被认为是最有前景的技术之一，广泛用于光存储，光信号处理，光学记忆，光通信等微纳米集成回路中，其“彩虹局域效应”是一种很有发展前景的表面等离子体慢光现象。在理论和实验的研究中，不同的频段下，不同的表面等离子体结构对慢光的影响不同。特别对绝热的金属光栅结构的表面等离子体慢光的研究发现，在金属光栅中慢光的传输速度很低，约为光速的几千分之一，甚至更小。然而，现有的研究工作主要集中在如何改变金属光栅结构以获得更小的传播速度，而忽略了在金属表面上传输表面等离子体的欧姆损耗，因而现有的金属光栅有比较大的损耗、所产生的表面等离子体不能传输相对较长的距离。在慢光系统中要同时兼顾表面等离子体的传播速度和传播损耗，即在可接受的慢光传播速度的基础上减少传输损耗，或者在可接受的传输损耗的基础上减小慢光传播速度。

以往的表面等离子体波导多是追求如何获得小的传播速度，往往忽略了表面等离子体在传输过程中的传输损耗。例如金属光栅波导，由两个对称的高度递增的金属齿形构成,金属齿宽度相等，齿深逐渐递增，齿间空气槽的宽度一致。不同频率入射波所产生的表面等离子体被约束在不同高度的空气槽中，大幅度地降低表面等离子体的传播速度。但是此种慢光波导由于中间的场与金属大面积接触，故损耗很大，不利于表面等离子体的长距离传输。近年报道的介质光栅结构是一种慢光传输波导，具有很低的传输损耗，并且对表面等离子体有很强的场的约束性。例如一种新型的慢光波导是在金属基体上连接高度逐渐增加的多个硅齿，此结构的波导产生的场大部分在硅齿中间，但是仍有很大一部分场在硅齿上方的空气中，用在纳米集成回路中，空气的场会和其他器件产生信号串扰，约束性不够。

慢光传输速度慢，有利于在未来光子集成回路中对光信息的处理；损耗低有利于增大表面等离子体在波导中的传输距离；场约束性强则有效地避免了在光子集成回路中光信号之间的信息干扰。现在需要同时具有这三个方面的优势的表面等离子体慢光波导。

实用新型内容

本实用新型的目的是设计一种表面等离子体慢光波导，介质光栅的栅条上、下两端分别经加载介质层与上、下金属基底连接。同时具有群速度低，传输损耗小，场的约束性强三大优势，有利于光子集成回路中光信息的处理。

本实用新型设计的一种表面等离子体慢光波导，包括金属基底和介质光栅，所述金属基底为上下两块，介质光栅的栅条上、下两端分别经加载介质层与上、下金属基底连接。介质光栅的栅条以上、下金属基底之间的水平的中心线为上下对称，各栅条的宽度a，各栅条的间距b等，各栅条的厚度相等，栅条的高度由一端向另一端以相同的增幅2dh逐渐递增，最少为4根栅条。栅条之间为空气或者为真空。

所述金属基底的材料为低损耗金属银、铜、金、铝中的任一种。最优选择为银。

所述介质光栅的材料为相对介电常数大于10的绝缘体，最优选择为硅。

所述加载介质层的材料为相对介电常数大于2、小于介质光栅介电常数的绝缘体，最优选择为二氧化硅。

所述介质光栅的栅条宽度a为100～120nm，栅条间距b为130～250nm。

所述介质光栅的栅条高度h为40nm≤h≤800nm，相邻栅条的高度差2dh为4～16nm。

所述的加载介质层的高度为10～20nm。

所述介质光栅的栅条和加载介质层的厚度相等。

与加载介质层连接的上方的金属基底的底和下方的金属基底的顶为直线，二者以水平的中心线上下对称。