[发明专利]一种碱金属杂化等离激元Y型分束器及其应用

说明书

本发明涉及一种碱金属杂化等离激元Y型分束器及其应用，Y型分束器包括在垂直方向(y轴)上层叠放置的碱金属层、第一材料层和第二材料层，第一材料层的折射率低于第二材料层的折射率，所述碱金属层与所述第二材料层之间为所述第一材料层；所述第二材料层在水平方向(x‑z平面)的截面上呈Y型结构，所述第二材料层包括输入段、弯曲段和输出段，所述输出段包括两平行设置的第一输出段和第二输出段，光波由输入段进入经所述弯曲段由所述第一输出段和第二输出段输出；在所述碱金属层外包覆有保护层，所述保护层用于防止所述碱金属氧化。本发明中的分束器具有高透射、强局域、小尺寸的特点。

技术领域

本发明涉及一种分束器，尤其涉及一种碱金属杂化等离激元Y型分束器及其应用。

背景技术

随着技术与产业链的逐步成熟，光学器件不断向着高集成度方向发展。传统的光学器件已无法满足日益增长的需求。此时，光子集成芯片凭借其小体积、低能耗、大带宽等优点，在光互连、光通信等领域获得越来越多的青睐。光子集成芯片可以由不同材料制作而成，包括硅、磷化铟、氮化硅、聚合物、二氧化硅、铌酸锂等。同时，碱金属(主要是金属钠)等离激元效应具有强约束、低损耗的特点，相比于传统金属(如金/银/铜)，可以进一步提高波导集成度和传播长度，从而应用于亚波长光子集成领域。

碱金属的表面等离激元效应属于金属表面等离激元效应的一种。因为碱金属的折射率实部相较贵金属更大，即代表该介质对电磁波的色散弱、模式面积小、因此可以得到更紧凑的光子器件；同时，碱金属的折射率虚部相较贵金属更小，即代表该介质对电磁波的吸收小，因而电磁波传输的损耗小、传输距离更长。这种利用碱金属表面等离激元效应制作而成的光子器件，正成为突破衍射极限，实现亚波长光子集成的有效路径之一。

将硅基波导模式和金属表面等离激元模式进行杂化耦合，可以同时获得较低的传输损耗、纳米尺度的光场限制能力、较小的波导间交叉串扰、以及宽频带工作特性等诸多优势。因其优良的特性，这种等离激元杂化波导目前正被业界高度关注。金属材料主要使用的是金、银、铜，基于上述材料的Y型分束器的器件尺寸均在微米量级。

传统的杂化等离激元Y型分束器，大多是基于金属(金/银/铜)的Y型分束器结构。主要有金属-二氧化硅-硅型、金属-二氧化硅-硅-二氧化硅-金属型等。但传统杂化型Y型分束器为了提高透射率，所支持的等离激元模式对光场的束缚水平较弱，因而器件尺寸较大。进一步提高杂化型Y型分束器的透射率，提高模场约束能力，同时减小器件尺寸，是该领域亟需解决的关键问题。

发明内容

本发明为了解决上述问题，本发明提供了一种碱金属杂化等离激元Y型分束器，创造性地将片上光子集成中的Y型分束器和碱金属表面等离激元进行结合，同时提高了器件集成度、光波透射率以及光场束缚能力。

基于上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种碱金属杂化等离激元Y型分束器，包括垂直方向(y轴)上层叠放置的碱金属层、第一材料层和第二材料层，第一材料层的折射率低于第二材料层的折射率，所述碱金属层与所述第二材料层之间为所述第一材料层；所述第二材料层在水平方向(x-z平面，即垂直y轴方向)的截面上呈Y型结构，所述第二材料层包括输入段、弯曲段和输出段，所述输出段包括两平行设置的第一输出段和第二输出段，光波由输入段进入经所述弯曲段由所述第一输出段和第二输出段输出；在所述碱金属层外包覆有保护层，所述保护层用于防止所述碱金属氧化。

作为一种优选的方案，所述第二材料层周侧均包覆有所述第一材料层。更具体的，第一材料层由一种或多种材料组成，第一材料层内的所有材料的折射率均低于第二材料层的折射率。在具体到某一材料的情形下，所述第一材料层为二氧化硅或有机光刻胶。所述第二材料层为硅、氮化硅、砷化镓、聚合物或铌酸锂。

作为另一种优选方案，以图2视角为例，第二材料层下方可以直接接触衬底，不设置第一材料层，仅在第二材料层的周侧和上方设置第一材料层。

为了对器件起到支撑作用，同时起到保护作用，本发明的Y型分束器还包括衬底层，所述第一材料层置于所述衬底层上。