专利名称：一种多层混合型表面等离子激元光波导的制作方法
技术领域：
本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种多层混合型表面等离子激元光波导。
背景技术：
表面等离子激元是金属表面自由电子与入射光子相互耦合形成的非辐射电磁模式，它是局域在金属和介质表面传播的一种混合激发态。这种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。表面等离子激元具有较强的场限制特性，可以将场能量约束在空间尺寸远小于其自由空间传输波长的区域，且其性质可随金属表面结构变化而改变。表面等离子激元波导可以突破衍射极限的限制，将光场约束在几十纳米甚至更小的范围内，并产生显著的场增强效应。目前表面等离子激元光波导正以其独特的模场限制能力以及可以同时传输光电讯号、可调控等独特的优势在纳米光子学领域显示出巨大的潜力，并已在纳米光子芯片、调制器、耦合器和开关、纳米激光器、突破衍射极限的超分辨成像以及生物传感器等方面有着重要的应用前景。介质/金属/介质型波导和金属/介质/金属型波导为两类传统的表面等离子激兀光波导结构。其中，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；另一方面，金属/介质/金属型光波导具有很强的模场限制能力，但其传输损耗太大，导致其无法实现长距离光信号的传输。针对传统表面等离子激元光波导模场限制能力和传输损耗之间的矛盾，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子激元光波导，他们的研究发现在低折射率介质/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，同时保持较低的传输损耗。本发明则提出了一种具备低传输损耗的多层混合型表面等离子激元光波导。多层结构中的两个高折射率介质层和其中间低折射率介质层中的金属区域之间的耦合使得传输光场能够得到较好的限制同时保持了较低的传输损耗。所提多层结构与平面加工工艺相匹配，可用于构建各类功能性集成光子器件。
发明内容
本发明提供了一种具备亚波长光场限制能力和低传输损耗的多层混合型表面等离子激元光波导，其横截面包括基底层、位于基底层上的高折射率介质层、位于高折射率介质层上的低折射率介质层、嵌于低折射率介质层中的金属区域、位于低折射率介质层上的高折射率介质层以及包层；其中，位于基底层上的高折射率介质层、低折射率介质层以及位于低折射率介质层上的高折射率介质层的宽度相等且为所传输的光信号的波长的
O.09-0. 35倍，位于基底层上的高折射率介质层的高度和位于低折射率介质层上的高折射率介质层的高度为所传输的光信号的波长的O. 09-0. 25倍；低折射率介质层的高度为所传输的光信号的波长的O. 009-0. 2倍；嵌于低折射率介质层中的金属区域的宽度为所传输的光信号的波长的O. 0129-0. 35倍，且不大于低折射率介质层的宽度，金属区域的高度为所传输的光信号的波长的O. 006-0. 19倍，且小于低折射率介质层的高度，金属区域与位于基底层上的高折射率介质层以及位于低折射率介质层上的高折射率介质层不相接触；位于基底层上的高折射率介质层和位于低折射率介质层上的高折射率介质层的材料为相同或不同材料,且两者的材料折射率均高于低折射率介质层以及包层的材料折射率,低折射率介质层和包层的材料为相同材料或不同材料，低折射率介质层和包层的材料折射率的最大值与位于基底层上的高折射率介质层和位于低折射率介质层上的高折射率介质层的材料折射率的最小值的比值小于O. 75 ;所述结构中位于基底层上的高折射率介质层、低折射率介质层以及位于低折射率介质层上的高折射率介质层的截面的形状为矩形。所述光波导结构中金属区域的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、 镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。所述光波导结构中嵌于低折射率介质层中的金属区域的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。本发明的多层混合型表面等离子激元光波导具有以下优点本发明所设计的光波导兼具良好的模场限制能力和低传输损耗这两大优点，且在金属区域附近的场增强效应可被用于非线性光学、光镊等领域中。该混合型波导所基于的多层平面结构可与现有的平板波导的加工工艺相匹配，易实现，可用于构建各类集成光器件和光子芯片。
图I是多层混合型表面等离子激元光波导的结构示意图。区域I为基底层，区域 2为高折射率介质层，其高度为h2 ;区域3为低折射率介质层，其高度为h3 ;区域4为嵌于低折射率介质层中的金属区域，其宽度为W4，高度为h4 ;区域5为位于低折射率介质层上的高折射率介质层，其高度为h5 ;区域2、3、5的宽度为w ;区域4的下表面到区域2上表面的最小距离为h42，区域4的上表面到区域5下表面的距离为h45 ;区域6为包层。图2是实例I所述多层混合型表面等离子激元光波导的结构示意图。201为基底层，ns为其折射率；202为高折射率介质层，nh为其折射率，hh为其高度；203为低折射率介质层，H1为其折射率，hx为其高度；204为嵌于低折射率介质层中的金属区域，nm为其折射率，Wm为其宽度，hm为其高度；205为位于低折射率介质层上的高折射率介质层，nh为其折射率，hh为其高度；202、203以及205的宽度为w ;204的下表面到202上表面的最小距离为 hg，204的上表面到205下表面的距离为hg ；206为包层，η。为其折射率。图3是传输光信号的波长为I. 55 μ m时实例I所述多层混合型表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度分布图。图4是传输光信号的波长为I. 55 μ m时实例I所述多层混合型表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离、归一化有效模场面积以及限制因子随金属宽度Wm的变化曲线。图5是实例2所述多层混合型表面等离子激元光波导的结构示意图。501为基底层，ns为其折射率；502为高折射率介质层，nh为其折射率，hh为其高度；503为低折射率介质层，H1为其折射率，hx为其高度；504为嵌于低折射率介质层中的金属区域，nm为其折射率，hm为其高度；505为位于低折射率介质层上的高折射率介质层，nh为其折射率，hh为其高度；502、503、504以及505的宽度均为w ；504的下表面到502上表面的最小距离为hg，504 的上表面到505下表面的距离为hg ；506为包层，η。为其折射率。图6是传输光信号的波长为I. 55 μ m时实例2所述多层混合型表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度分布图。图7是传输光信号的波长为I. 55 μ m时实例2所述多层混合型表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离、归一化有效模场面积以及限制因子随高度hh的变化曲线。
具体实施例方式表面等离子波的模式特性是表征表面等离子激元光波导的重要指标。其中模式特性参数主要包括有效折射率实部、传输距离和归一化有效模场面积。传输距离L定义为任一界面上电场强度衰减为起始值Ι/e时的距离，其表达式为L=入/[4 π/ImOieiff](I)其中Im(nrff)为模式有效折射率的虚部，λ为传输光信号的波长。有效模场面积的计算表达式如下Aeff= ( / / E(x, y) |2dxdy)2/ f I E(x, y) |4dxdy(2)其中，Aeff为有效模场面积，E(x,y)为表面等离子波的电场。归一化有效模场面积为(2)式计算得到的有效模场面积与衍射极限小孔面积之比。衍射极限小孔的面积定义如下A0 = λ 2/4(3)其中，Atl为衍射极限小孔面积，λ为传输光信号的波长。因此，归一化有效模场面积A为A = Aeff/A0(4)归一化有效模场面积的大小表征模式的模场限制能力，该值小于I的情形对应亚波长的尺寸约束。限制因子表征表面等离子激元光波导的场强限制能力，在此定义为低折射率介质层中所含功率占波导总功率的比例。实例I :嵌于低折射率介质层中的金属区域宽度小于低折射率介质层的宽度图2是实例I所述多层混合型表面等离子激元光波导的结构示意图。201为基底层，ns为其折射率；202为高折射率介质层，nh为其折射率，hh为其高度；203为低折射率介质层，H1为其折射率，hx为其高度；204为嵌于低折射率介质层中的金属区域，nm为其折射率，Wm为其宽度，hm为其高度；205为位于低折射率介质层上的高折射率介质层，nh为其折射率，hh为其高度；202、203以及205的宽度为w ;204的下表面到202上表面的最小距离为 hg，204的上表面到205下表面的距离为hg ；206为包层，η。为其折射率。在本实例中，传输的光信号的波长选定为I. 55 μ m，201和203的材料为二氧化硅， 其折射率为I. 5 ；204的材料为银，在I. 55 μ m波长处的折射率为O. 1453+1*11. 3587 ;202和 205的材料为硅，其折射率为3. 5 ；206的材料设为空气，其折射率为I。在本实例中，202、203以及205的宽度w = 200nm，202和205的高度hh = 200nm ； 203的高度Ii1 = 50nm ；204的高度hm = 30nm ;距离hg = IOnm ；204的宽度Wm的取值范围为40_160nm。使用全矢量有限元方法对本实施例中的上述波导结构进行仿真，计算得到 I. 55 μ m波长处该波导所支持的准对称表面等离子激元模式的模场分布及模式特性。图3是传输光信号的波长为I. 55 μ m时实例I所述多层混合型表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度分布图。由图3可见，该模式在低折射率介质层尤其是金属区域附近有明显的场增强效应。图4是传输光信号的波长为I. 55 μ m时实例I所述多层混合型表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离、归一化有效模场面积以及限制因子随金属宽度Wm的变化曲线。由图4(a)_(d)可见，表面等离子激元模式的有效折射率随^增大而增大，而传输距离和限制因子均随^增大而减小，模场面积则是先减小后增大。 在整个范围内，模式的传输距离始终保持在几百微米，且保持深亚波长的模场限制能力。实例2 :嵌于低折射率介质层中的金属区域宽度与低折射率介质层的宽度相等图5是实例2所述多层混合型表面等离子激元光波导的结构示意图。501为基底层，ns为其折射率；502为高折射率介质层，nh为其折射率，hh为其高度；503为低折射率介质层，H1为其折射率，hx为其高度；504为嵌于低折射率介质层中的金属区域，nm为其折射率，hm为其高度；505为位于低折射率介质层上的高折射率介质层，nh为其折射率，hh为其高度；502、503、504以及505的宽度均为w ；504的下表面到502上表面的最小距离为hg，504 的上表面到505下表面的距离为hg ；506为包层，η。为其折射率。在本实例中，传输的光信号的波长选定为I. 55 μ m, 501和503的材料为二氧化娃, 其折射率为I. 5 ；504的材料为银，在I. 55 μ m波长处的折射率为O. 1453+1*11. 3587 ;502和 505的材料为硅，其折射率为3. 5 ；506的材料设为空气，其折射率为I。在本实例中，502、503、504以及 505 的宽度 w = 200nm ；503 的高度 Ii1 = 50nm ；504 的高度hm = 30nm ;距离hg = IOnm ；502和505的高度hh的取值范围为150_300nm。使用全矢量有限元方法对本实施例中的上述波导结构进行仿真，计算得到
I.55 μ m波长处该波导所支持的准对称表面等离子激元模式的模场分布及模式特性。图6是传输光信号的波长为I. 55 μ m时实例2所述多层混合型表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度分布图。由图6可见，该模式在金属区域上下的低折射率介质层附近有明显的场增强效应。图7是传输光信号的波长为I. 55 μ m时实例2所述多层混合型表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离、归一化有效模场面积以及限制因子随高度hh的变化曲线。由图7(a)-(d)可见，表面等离子激元模式的有效折射率和传输距离随高度hh增大而增大，而模场面积则是先减小后增大，限制因子先增大后减小。在整个范围内，模式的传输距离始终保持在几百微米，且保持深亚波长的模场限制能力。实例I和实例2的仿真结果表明，本发明所涉及的波导结构中的嵌于低折射率介质层中的金属区域的宽度可小于低折射率介质层的宽度也可与之相等。最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的表面等离子激元光波导结构，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种具备亚波长光场限制能力和低传输损耗的多层混合型表面等离子激元光波导， 其横截面包括基底层、位于基底层上的高折射率介质层、位于高折射率介质层上的低折射率介质层、嵌于低折射率介质层中的金属区域、位于低折射率介质层上的高折射率介质层以及包层；其中，位于基底层上的高折射率介质层、低折射率介质层以及位于低折射率介质层上的高折射率介质层的宽度相等且为所传输的光信号的波长的O. 09-0. 35倍，位于基底层上的高折射率介质层的高度和位于低折射率介质层上的高折射率介质层的高度为所传输的光信号的波长的O. 09-0. 25倍；低折射率介质层的高度为所传输的光信号的波长的O. 009-0. 2倍；嵌于低折射率介质层中的金属区域的宽度为所传输的光信号的波长的 O. 0129-0. 35倍,且不大于低折射率介质层的宽度,金属区域的高度为所传输的光信号的波长的O. 006-0. 19倍，且小于低折射率介质层的高度，金属区域与位于基底层上的高折射率介质层以及位于低折射率介质层上的高折射率介质层不相接触；位于基底层上的高折射率介质层和位于低折射率介质层上的高折射率介质层的材料为相同或不同材料，且两者的材料折射率均高于低折射率介质层以及包层的材料折射率，低折射率介质层和包层的材料为相同材料或不同材料，低折射率介质层和包层的材料折射率的最大值与位于基底层上的高折射率介质层和位于低折射率介质层上的高折射率介质层的材料折射率的最小值的比值小于O. 75 ;所述结构中位于基底层上的高折射率介质层、低折射率介质层以及位于低折射率介质层上的高折射率介质层的截面的形状为矩形。
2.根据权利要求I所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中嵌于低折射率介质层中的金属区域的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是上述金属构成的复合材料。
3.根据权利要求I所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中嵌于低折射率介质层中的金属区域的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。
全文摘要
本发明公开了一种低损耗多层混合型表面等离子激元光波导，该波导结构的横截面包括基底层(1)、位于基底层上的高折射率介质层(2)、位于高折射率介质层(2)上的低折射率介质层(3)、嵌于低折射率介质层(3)中的金属区域(4)、位于低折射率介质层(3)上的高折射率介质层(5)以及包层(6)。两个紧邻的高折射率介质层(2、5)之间的耦合可将光场限制在低折射率介质层(3)中，同时金属区域与上、下两个高折射率介质层(5、2)之间的混合效应使得场增强更加明显。所述光波导结构保持了亚波长模场限制能力，且具有很低的传输损耗。该波导易用平面加工工艺实现，可用于构建各类集成光子器件。
文档编号G02B6/122GK102590938SQ201210055748
公开日2012年7月18日 申请日期2012年3月5日 优先权日2012年3月5日
发明者刘建胜, 刘磊, 卞宇生, 苏亚林, 赵欣, 郑铮 申请人:北京航空航天大学