專利名稱：一種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，具體涉及一種表面等離子激元光波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
表面等離子激元是金屬表面自由電子與入射光子相互耦合形成的非輻射電磁模式，它是局域在金屬和介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ囊环N混合激發(fā)態(tài)。這種模式存在于金屬與介質(zhì)界面附近，其場強(qiáng)在界面處達(dá)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(qiáng)的場限制特性，可以將場能量約束在空間尺寸遠(yuǎn)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。表面等離子激元波導(dǎo)可以突破衍射極限的限制，將光場約束在幾十納米甚至更小的范圍內(nèi)，并產(chǎn)生顯著的場增強(qiáng)效應(yīng)。目前表面等離子激元光波導(dǎo)正以其獨(dú)特的模場限制能力以及可以同時傳輸光電訊號、可調(diào)控等獨(dú)特的優(yōu)勢在納米光子學(xué)領(lǐng)域顯示出巨大的潛力，并已在納米光子芯片、調(diào)制器、耦合器和開關(guān)、納米激光器、突破衍射極限的超分辨成像以及生物傳感器等方面有著重要的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)主要有兩類，金屬/介質(zhì)/金屬型和介質(zhì)/金屬/介質(zhì)型波導(dǎo)。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(qiáng)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。本發(fā)明則提出了一種新型介質(zhì)/金屬/介質(zhì)型表面等離子激元光波導(dǎo)。與傳統(tǒng)介質(zhì)/金屬/介質(zhì)型波導(dǎo)相比，該波導(dǎo)的介質(zhì)基底不是半無限大的平面結(jié)構(gòu)，而是帶有一個倒梯形或矩形的溝槽，其所支持的兩種表面等離子激元模式不僅保持了較低的傳輸損耗，且具有更小的模場面積。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種表面等離子激元光波導(dǎo)，其橫截面包括帶溝槽的介質(zhì)基底層、位于介質(zhì)基底層上的薄金屬層以及包層；溝槽的截面形狀為倒梯形、矩形中的任何一種；溝槽的下表面寬度為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的0. 06-0. 8倍，且不大于溝槽的上表面的寬度，溝槽的上表面的寬度為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的0. 06-0. 8倍，溝槽的深度范圍為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的0. 6-5倍；薄金屬層的厚度范圍為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的 0. 006-0. 06倍；介質(zhì)基底層和包層的材料為相同材料或不同材料。所述光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中薄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)明的表面等離子激元光波導(dǎo)具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所設(shè)計的表面等離子激元光波導(dǎo)可以同時支持溝槽表面等離子和楔形表面等離子激元兩種模式，且兩種模式都具有較低的傳輸損耗。所提表面等離子激元光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有的加工工藝相匹配。


圖1是表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。區(qū)域1為帶溝槽的介質(zhì)基底層，溝槽的上、下表面寬度分別為Wt和wb，溝槽的深度為h ；區(qū)域2為薄金屬層，其厚度為d ；區(qū)域 3為包層。圖2是實例所述表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為帶溝槽的介質(zhì)基底層溝槽的上、下表面寬度分別為Wt和wb，溝槽的深度為h，ns為其折射率；202為薄金屬層，nm為其折射率，d為其厚度；203為包層，nc為其折射率。圖3是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述表面等離子激元光波導(dǎo)支持的溝槽表面等離子激元以及楔形表面等離子激元模式的光場的分布圖。圖3(a)對應(yīng)溝槽表面等離子激元模式，圖3(b)對應(yīng)楔形表面等離子激元模式。圖4是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)臏喜郾砻娴入x子激元模式的有效折射率、傳輸距離和歸一化有效模場面積隨寬度Wb的變化曲線。圖5是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男ㄐ伪砻娴入x子激元模式的有效折射率、傳輸距離和歸一化有效模場面積隨寬度Wb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(biāo)。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(qiáng)度衰減為起始值Ι/e時的距離，其表達(dá)式為L=入/TWlm (neff)] (1)其中Ln(neff)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(dá)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 = AeffAtl (4)歸一化有效模場面積的大小表征模式的模場限制能力。實例圖2是實例所述表面等離子激元光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖。201為帶溝槽的介質(zhì)基底層，ns 為其折射率，溝槽的上、下表面寬度分別為&和wb，溝槽的深度為h ；202為薄金屬層，nm為其折射率，d為其厚度；203為包層，nc為其折射率。在本實例中，傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL選定為1.55 μ m，201和203的材料為二氧化硅，其折射率為1. 5 ；202的材料為銀，在1. 55 μ m波長處的折射率為0. 1453+i*ll. 3587。在本實例中，201上表面的寬度Wt = lOOOnm，上表面的寬度Wt的取值范圍為 200-1000nm ；溝槽的深度 h = 3000nm ；202 的厚度 d = 50nm。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(jìn)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時實例所述表面等離子激元光波導(dǎo)支持的溝槽表面等離子激元以及楔形表面等離子激元模式的光場的分布圖。圖3(a)對應(yīng)溝槽表面等離子激元模式，圖3(b)對應(yīng)楔形表面等離子激元模式。溝槽表面等離子激元模式主要分布在“U”字形溝槽內(nèi)，且在溝槽上表面兩頂點(diǎn)處有較強(qiáng)的場增強(qiáng)效應(yīng)，楔形表面等離子激元模式主要分布在“U”字形溝槽的下表面，且在溝槽的下表面頂點(diǎn)處有較強(qiáng)的場增強(qiáng)效應(yīng)。圖4(a)_(c)是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)臏喜郾砻娴入x子激元模式的有效折射率、傳輸距離和歸一化有效模場面積隨寬度 Wb的變化曲線。由圖可見，所述表面等離子激元光波導(dǎo)的表面等離子激元模式的有效折射率隨寬度^的增加而減小，而傳輸距離和歸一化有效模場面積則隨寬度Wb的增加先增大后減小。在整個范圍內(nèi)，傳輸距離介于120-150 μ m之間，說明溝槽表面等離子激元模式的傳輸損耗較小，同時其模場面積比傳統(tǒng)的介質(zhì)/金屬/介質(zhì)要小。圖5(a)_(c)是傳輸光信號的波長為1. 55 μ m時實例所述表面等離子激元光波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)男ㄐ伪砻娴入x子激元模式的有效折射率、傳輸距離和歸一化有效模場面積隨寬度 Wb的變化曲線。由圖可見，所述表面等離子激元光波導(dǎo)的表面等離子激元模式的有效折射率隨寬度^的增加而減小，而傳輸距離和歸一化有效模場面積則隨寬度Wb的增加而增大。 在整個范圍內(nèi)，傳輸距離介于140-160 μ m之間，說明楔形表面等離子激元模式具有較小的傳輸損耗，同時有效模場面積比傳統(tǒng)的介質(zhì)/金屬/介質(zhì)要小。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(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)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(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種表面等離子激元光波導(dǎo)，其橫截面包括帶溝槽的介質(zhì)基底層、位于介質(zhì)基底層上的薄金屬層以及包層；溝槽的截面形狀為倒梯形、矩形中的任何一種；溝槽的下表面寬度為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的0. 06-0. 8倍，且不大于溝槽的上表面的寬度，溝槽的上表面的寬度為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的0. 06-0. 8倍，溝槽的深度范圍為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的0. 6-5倍；薄金屬層的厚度范圍為所傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL的0. 006-0. 06倍；介質(zhì)基底層和包層的材料為相同材料或不同材料。
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)中薄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)的橫截面包括帶倒梯形或矩形溝槽的介質(zhì)基底層(1)、位于介質(zhì)基底層上的薄金屬層(2)以及包層(3)。在合適的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，該波導(dǎo)可同時支持溝槽表面等離子激元以及楔形表面等離子激元兩種模式，同時保持較低的傳輸損耗。
文檔編號G02B6/10GK102540331SQ20121004279
公開日2012年7月4日 申請日期2012年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月22日
發(fā)明者劉建勝, 劉磊, 卞宇生, 蘇亞林, 趙欣, 鄭錚 申請人:北京航空航天大學(xué)