專利名稱：一種混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種混合型表面等離子激元光波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
表面等離子激元是由光和金屬表面自由電子的相互作用引起的一種電磁波模式。 這種模式存在于金屬與介質(zhì)界面附近，其場強在界面處達到最大，且在界面兩側(cè)均沿垂直 于界面的方向呈指數(shù)式衰減。表面等離子激元具有較強的場限制特性，可以將場能量約束 在空間尺寸遠小于其自由空間傳輸波長的區(qū)域，且其性質(zhì)可隨金屬表面結(jié)構(gòu)變化而改變。 在適當?shù)慕饘倥c介質(zhì)組成的表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，橫向光場分布可被限制在幾十 納米甚至更小的范圍內(nèi)，能夠超過衍射極限的限制。表面等離子激元已在納米光子學(xué)領(lǐng)域 中顯示出巨大的應(yīng)用潛力，并為實現(xiàn)高集成度納米光子芯片提供了可能。模場限制能力和傳輸損耗是表征表面等離子激元光波導(dǎo)模式特性的兩個重要參 數(shù)。傳統(tǒng)的表面等離子激元光波導(dǎo)主要包括金屬/介質(zhì)/金屬型和介質(zhì)/金屬/介質(zhì)型兩 類結(jié)構(gòu)。其中，介質(zhì)/金屬/介質(zhì)型光波導(dǎo)傳輸損耗較低，但較差的模場限制能力制約了其 在高集成度光路中的應(yīng)用；另一方面，金屬/介質(zhì)/金屬型光波導(dǎo)具有很強的模場限制能 力，但其傳輸損耗太大，導(dǎo)致其無法實現(xiàn)長距離光信號的傳輸。針對傳統(tǒng)表面等離子激元光 波導(dǎo)模場限制能力和傳輸損耗之間的矛盾，加州大學(xué)伯克利分校的張翔研究小組提出了一 種混合型表面等離子激元光波導(dǎo)，他們的研究發(fā)現(xiàn)在低折射率介質(zhì)/金屬表面的附近添加 一個高折射率介質(zhì)層，可將光場約束到高折射率介質(zhì)層和金屬界面之間的低折射率介質(zhì)狹 縫中傳輸，同時保持較低的傳輸損耗。受上述混合型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，本發(fā)明利用Λ，，字形或“ V，，字形金屬基底代替原 有的金屬平面基底結(jié)構(gòu)，所獲得的混合型波導(dǎo)的表面等離子激元模式可以實現(xiàn)很強的模場 限制能力且其傳輸損耗仍然很小。該混合型波導(dǎo)可用于實現(xiàn)各類有源及無源表面等離子激 元器件，對于構(gòu)建大規(guī)模集成光路具有十分重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提高傳統(tǒng)混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的特性，提出一種同時具 備低傳輸損耗和強場限制能力的混合型表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明提供了一種同時具備低傳輸損耗和強場限制能力的混合型表面等離子激 元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其橫截面為嵌于低折射率介質(zhì)中的金屬基底和嵌于低折射率介質(zhì)中位于金 屬基底上方的高折射率介質(zhì)區(qū)域，金屬基底與高折射率介質(zhì)區(qū)域不接觸且兩者之間存在一 定間隔；金屬基底在與高折射率介質(zhì)區(qū)域相鄰的區(qū)域呈“Λ”字形或“V”字形，“Λ”字形或 “V”字形結(jié)構(gòu)的頂角位于高折射率介質(zhì)區(qū)域的正下方，“Λ”字形金屬基底對應(yīng)的內(nèi)頂角大 于0度且小于180度，“ V，，字形金屬基底對應(yīng)的內(nèi)頂角大于180度且小于360度；高折射 率介質(zhì)區(qū)域的寬度范圍為所傳輸光信號的波長的0. 06-0. 4倍，高度范圍為所傳輸?shù)墓庑?號的波長的0. 06-0. 4倍，所述高折射率介質(zhì)區(qū)域的下邊緣到金屬基底頂角的最小距離范圍為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的0.01-0. 1倍；所述高折射率介質(zhì)區(qū)域的截面形狀為正方形、 矩形、圓形、橢圓形或梯形中的任何一種；所述低折射率介質(zhì)的折射率與高折射率介質(zhì)的折 射率比值小于0. 75。所述混合型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中金屬層的材料為能產(chǎn)生表面等離子激元的金、銀、鋁、銅、 鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種、或是各自的合金、或是上述金屬構(gòu)成的復(fù)合材料。。本發(fā)明的混合型表面等離子激元光波導(dǎo)具有以下優(yōu)點本發(fā)明所設(shè)計的混合型表面等離子激元光波導(dǎo)具有較強的模場限制能力，同時保 持了低傳輸損耗。因此便于集成，可應(yīng)用于超高密度集成光路。該二維結(jié)構(gòu)易于與平面芯片加工工藝匹配，易應(yīng)用于高集成度的光波導(dǎo)芯片中。


圖1是混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。區(qū)域1為金屬基底層，其內(nèi) 頂角為θ ；區(qū)域2為高折射率介質(zhì)區(qū)，其寬度為wd，高度為hd;區(qū)域3為低折射率介質(zhì)區(qū)；區(qū) 域3的下邊緣到區(qū)域1頂角的最小距離為hg。圖2是實例1所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為金屬基底層，其 內(nèi)頂角為θ，nm為其折射率；202為高折射率介質(zhì)區(qū)，nd為其折射率，Wd為其寬度，hd為其 高度；203為低射率介質(zhì)區(qū)，nc為其折射率；203的下邊緣到201頂角的最小距離為hg。圖3是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例1所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo) 的表面等離子激元模式光場的電場強度分布曲線。其中，圖3(a)為電場強度Y分量沿X軸 方向的分布曲線，圖3 (b)為電場強度Y分量沿Y軸方向的分布曲線。圖4是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例1所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo) 內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的有效折射率隨距離hg的變化曲線。圖5是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例1所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo) 內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的傳輸距離隨距離hg的變化曲線。圖6是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例1所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo) 內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的歸一化有效模場面積隨距離hg的變化曲線。圖7是實例2所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。701為金屬基底層，其 內(nèi)頂角為θ，nm為其折射率；702為高折射率介質(zhì)區(qū)，nd為其折射率，Wd為其寬度，hd為其 高度；703為低射率介質(zhì)區(qū)，nc為其折射率；703的下邊緣到701頂角的最小距離為hg。圖8是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例2所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo) 的表面等離子激元模式光場的電場強度分布曲線。其中，圖7(a)為電場強度Y分量沿X軸 方向的分布曲線，圖7 (b)為電場強度Y分量沿Y軸方向的分布曲線。圖9是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例2所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo) 內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的有效折射率隨距離hg的變化曲線。圖10是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例2所述混合型表面等離子激元光波 導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的傳輸距離隨距離hg的變化曲線。圖11是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例2所述混合型表面等離子激元光波 導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的歸一化有效模場面積隨距離hg的變化曲線。
具體實施例方式表面等離子波的模式特性是表征表面等離子激元光波導(dǎo)的重要指標。其中模式特 性參數(shù)主要包括有效折射率實部、傳輸距離和歸一化有效模場面積。傳輸距離L定義為任一界面上電場強度衰減為起始值Ι/e時的距離，其表達式 為L= A/[4ji Im(neff)](1)其中Im(nrff)為模式有效折射率的虛部，λ為傳輸光信號的波長。 有效模場面積的計算表達式如下Aeff = ( f f E (x, y) 2dxdy)2/ f f E (χ, y) |4dxdy (2)其中，Arff為有效模場面積，E(x，y)為表面等離子波的電場。歸一化有效模場面積 為(2)式計算得到的有效模場面積與衍射極限小孔面積之比。衍射極限小孔的面積定義如 下A0 = λ 2/4(3)其中，Atl為衍射極限小孔面積，λ為傳輸光信號的波長。因此，歸一化有效模場面 積A為A = Aeff/A0(4)歸一化有效模場面積的大小表征模式的模場限制能力，該值小于1的情形對應(yīng)亞 波長的尺寸約束。實例1 :“Λ”字形金屬基底(內(nèi)頂角大于0度小于180度)的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖2是實例1所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為金屬基底層，其 內(nèi)頂角為θ，nm為其折射率；202為高折射率介質(zhì)區(qū)，nd為其折射率，Wd為其寬度，hd為其 高度；203為低射率介質(zhì)區(qū)，nc為其折射率；203的下邊緣到201頂角的最小距離為hg。在本實例中，傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL選定為1. 55 μ m，201的材料為銀，在1. 55 μ m波 長處的折射率為0. 1453+i*ll. 3587 ；202的材料設(shè)為硅，其折射率為3. 5 ；203的材料設(shè)為 二氧化硅，其折射率為1.5。在本實例中，201的內(nèi)頂角θ = 60度；202的寬度wd = 200nm，高度hd = 200nm ； 距離hg的取值范圍為2-20nm。使用全矢量有限元方法對本實施例中的上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行仿真，計算得到 1. 55 μ m波長處表面等離子激元模式的模場分布及模式特性。圖3是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo) 的表面等離子激元模式光場的電場強度沿Y軸方向的分布曲線，其中hg為5nm。由圖3可 見，所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)光場的電場強度曲線在低折射率介質(zhì)狹縫區(qū)域內(nèi)有 明顯的場增強效應(yīng)。圖4是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi) 傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的有效折射率隨距離hg的變化曲線。由圖4可見，所述混合型 光波導(dǎo)的表面等離子激元模式的有效折射率隨距離hg增大而減小。圖5是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi) 傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的傳輸距離隨距離hg的變化曲線。由圖5可見，所述混合型光 波導(dǎo)的表面等離子激元模式的傳輸距離在數(shù)十微米量級，且隨距離hg增大而增大。
圖6是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi) 傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的歸一化有效模場面積隨距離hg的變化曲線。由圖6可見，所 述混合型光波導(dǎo)的表面等離子激元模式的模場面積隨距離\增大而增大，可知，表面等離 子激元模式的傳輸距離的增大是以犧牲模場限制能力為代價的。同時由圖可知歸一化有效 模場面積仍然很小，且遠小于1，說明所述混合型光波導(dǎo)具有亞波長的模場限制能力。實例2 :“V”字形金屬基底(內(nèi)頂角大于180度小于360度)光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖7是實例2所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。701為金屬基底層，其 內(nèi)頂角為θ，nm為其折射率；702為高折射率介質(zhì)區(qū)，nd為其折射率，Wd為其寬度，hd為其 高度；703為低射率介質(zhì)區(qū)，nc為其折射率；703的下邊緣到701頂角的最小距離為hg。在本實例中，傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL選定為1. 55 μ m，701的材料為銀，在1. 55 μ m波 長處的折射率為0. 1453+i*ll. 3587 ；702的材料設(shè)為硅，其折射率為3. 5 ；703的材料設(shè)為 二氧化硅，其折射率為1.5。在本實例中，701的內(nèi)頂角θ = 200度；702的寬度wd = 200nm,高度hd = 200nm ； 距離hg的取值范圍為2-20nm。使用全矢量有限元方法對本實施例中的上述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行仿真，計算得到 1. 55 μ m波長處表面等離子激元模式的模場分布及模式特性。圖8是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)的 表面等離子激元模式光場的電場強度分布曲線，其中\(zhòng)為511!11。其中，圖8(a)為電場強度 Y分量沿X軸方向的分布曲線，圖8(b)為電場強度Y分量沿Y軸方向的分布曲線。由圖8 可見，所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)光場的電場強度曲線在低折射率介質(zhì)狹縫區(qū)域內(nèi) 有明顯的場增強效應(yīng)。圖9是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi) 傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的有效折射率隨距離hg的變化曲線。由圖9可見，所述混合型 光波導(dǎo)的表面等離子激元模式的有效折射率隨距離hg增大而減小。圖10是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo) 內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的傳輸距離隨距離hg的變化曲線。由圖10可見，所述混合 型光波導(dǎo)的表面等離子激元模式的傳輸距離在數(shù)十微米量級，且隨距離hg增大而增大。圖11是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述混合型表面等離子激元光波導(dǎo) 內(nèi)傳輸?shù)谋砻娴入x體激元模式的歸一化有效模場面積隨距離hg的變化曲線。由圖11可見， 當hg大于5nm時，所述混合型光波導(dǎo)的表面等離子激元模式的模場面積隨距離hg增大而增 大，可知，表面等離子激元模式的傳輸距離的增大是以犧牲模場限制能力為代價的。同時由 圖可知歸一化有效模場面積仍然很小，且遠小于1，說明所述混合型光波導(dǎo)具有亞波長的模 場限制能力。實例1和實例2的仿真結(jié)果表明，本發(fā)明所涉及的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的金屬基底的內(nèi)頂 角可以小于180度或大于180度。最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中的實施例僅用以說明本發(fā)明的表面等離子激元光 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，但非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng) 當理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和 范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.一種同時具備低傳輸損耗和強場限制能力的混合型表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其 橫截面為嵌于低折射率介質(zhì)中的金屬基底和嵌于低折射率介質(zhì)中位于金屬基底上方的高 折射率介質(zhì)區(qū)域，金屬基底與高折射率介質(zhì)區(qū)域不接觸且兩者之間存在一定間隔；金屬基 底在與高折射率介質(zhì)區(qū)域相鄰的區(qū)域呈“ Λ，，字形或“ V ”字形，“ Λ，，字形或“ V，，字形結(jié) 構(gòu)的頂角位于高折射率介質(zhì)區(qū)域的正下方，“Λ”字形金屬基底對應(yīng)的內(nèi)頂角大于0度且小 于180度，“ V，，字形金屬基底對應(yīng)的內(nèi)頂角大于180度且小于360度；高折射率介質(zhì)區(qū)域 的寬度范圍為所傳輸光信號的波長的0. 06-0. 4倍，高度范圍為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的 0. 06-0. 4倍，所述高折射率介質(zhì)區(qū)域的下邊緣到金屬基底頂角的最小距離范圍為所傳輸?shù)?光信號的波長的0.01-0. 1倍；所述高折射率介質(zhì)區(qū)域的截面形狀為正方形、矩形、圓形、橢 圓形或梯形中的任何一種；所述低折射率介質(zhì)的折射率與高折射率介質(zhì)的折射率比值小于 0. 75。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中金屬層的材料為能產(chǎn) 生表面等離子激元的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種、或是各自的合金、或是上述 金屬構(gòu)成的復(fù)合材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種同時具備低傳輸損耗和強場限制能力的混合型表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的橫截面包括“∧”字形(或“∨”字形)金屬基底層(1)、位于金屬基底層上的高折射率介質(zhì)區(qū)域(2)以及包層(3)。與金屬基底層緊鄰的高折射率介質(zhì)區(qū)域的存在，可顯著地縮小該波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光場分布范圍，實現(xiàn)對傳輸光場的二維亞波長約束；同時仍能保持較低的傳輸損耗。所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)克服了現(xiàn)有表面等離子激元光波導(dǎo)在光場限制能力和傳輸損耗之間的矛盾，為超高集成度光波導(dǎo)芯片的實現(xiàn)提供可能。
文檔編號G02B6/10GK102109637SQ20111003015
公開日2011年6月29日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者劉婭, 卞宇生, 朱勁松, 鄭錚 申請人:北京航空航天大學(xué)