[发明专利]一种紧凑型低损耗的圆柱形混合等离激元波导

说明书

技术领域

本发明属于光子集成领域，特别涉及一种用于光束高局域化且低损耗的圆柱形混合等离激元波导。

背景技术

表面等离激元(SPP)是指金属表面上的自由振荡电子与光子相互作用产生沿着金属-介质表面传播的横磁偏振态的衰逝场。SPP的场分布在金属-介质界面上为最大值，沿着界面的法线方向在金属和介质中呈指数衰减。传统的介质平板波导因受衍射极限的限制无法有效的将光场限制在较小的区域。而表面等离激元波导能够有效的将光场限制在亚波长尺度的范围内，且其独特的局域场增强效应，在纳米光子学领域将发挥重要作用。这种微型化的实现，使得SPP波能够用于制作微纳尺度量级的光子器件，且有助于光电集成器件的高度小型化。

近十年来，尤其在光子集成领域，人们已经相继提出众多可以将光场限制在纳米尺度的SP波导结构，如介质-金属-介质波导结构，金属-介质-金属波导结构，金属缝结构，V槽波导结构等。然而，这些SP波导因结构中含有介电常数为负数的金属材料，因此传输过程中损耗很大，导致光的传输相对较短。其中金属-介质-金属型光波导具有很强的模场限制能力，但传输损耗太大，导致其无法实现长距离传输。另一方面，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。

针对传统表面等离激元光波导的模场限制能力和传输损耗之间的矛盾，2007年，加拿大多伦多大学的Alam等人第一次提出混合等离激元波导，在金属平板上依次为低折射率介质材料和高折射率介质材料，周围为空气包层。当光从左侧垂直进入结构时，光场被很好的限制在低折射率介质层中。这是因为金属和介质界面传播的SP模式和介质波导中的模式相互耦合产生了一种更强的模式，其对光场具有更强的约束作用。尽管损耗较大，但传播距离大大增加。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激元光波导，他们的研究发现在低折射率介质和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，同时保持较低的传播损耗。

发明内容

本发明的目的是提高传统混合型等离激元波导的特性，提出一种具有强场限制能力和低传输损耗的圆柱形混合等离激元波导结构。

为了实现强场限制能力和低传输损耗的目的，本发明采用以下技术方案：一种紧凑型低损耗的圆柱形混合等离激元波导，所述混合等离激元波导是由A、B与C三种材料由内向外逐层构成的三层同轴圆柱形结构。

进一步的，A、B与C三种材料分别采用高折射率介质、低折射率介质与金属，芯层半径为r₁，低折射率介质层外半径为r₂，金属层外半径为r₃。

进一步的，高折射率介质和低折射率介质分别为Si和SiO₂，其中Si的折射率为3.445，SiO₂的折射率为1.46。

进一步的，金属为金、银、铝或铜。

进一步的，波导结构的尺寸与工作波长λ为同一量级，但小于工作波长。

进一步的，高折射率介质区域r₁为工作波长的0.07～0.16倍。

进一步的，低折射率介质区域r₂-r₁为工作波长波长的0.008～0.1倍。

圆柱混合型波导结构对应的芯层半径为r₁，金属层内半径为r₂，金属层外半径为r₃，其中位于高折射率介质和贵金属之间的低折射率介质部分的宽度为r₂-r₁。所对应的高折射率介质、低折射率介质与贵金属分别为Si、SiO₂与金属，金属为金、银、铝或铜。在一定的工作波段，当光垂直进入结构时，光场被很好的限制在低折射率介质SiO₂层中。这是因为金属和介质界面传播的SP模式和介质波导中的模式相互耦合产生了一种更强的模式，其对光场具有更强的约束作用，同时在结构依然紧凑的情况下，具有低损耗长传播距离的特性。

圆柱形混合等离激元波导的模式有效折射率n_eff由有限元法的模式分析直接求出。通过基于有限元算法的COMSOL Multiphysics，使用射频(RF)模块中的模式分析和频率分析，得到圆柱形混合等离激元波导结构中一系列的模式特性及传输特性。

由于柱对称的结构，支持的偏振模式更多，无论是线偏振光还是径向偏振光。