一种同时支持TE、TM模式的混合等离激元波导的制作方法

本发明属于亚波长光子学技术领域，具体涉及一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导。

背景技术：
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偏振态是光的重要特性之一，其矢量特性使得其与物质之间发生错综复杂的相互作用，依此人们得以制作各种各样的光学器件和光学系统。过去的研究主要针对的是空间均匀偏振态，如线偏振、圆偏振等等，对于这种情况，偏振态并不依赖于光束的空间位置。

混合等离激元波导(hpw)一般是由金属层和高折射率介质材料层中间夹着一层低折射率介质材料构成，hpw的性能与中间的低折射率介质层的厚度紧密相关：当介质层厚度较大时，两种模式是分开的，而且通常无法激发等离激元模式；而当介质层厚度减小到一定程度时，两种模式混合叠加成一种新的模式，此时光场主要局限在中间的低折射率介质材料层。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，以改善已有结构性能。

一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，包括垂直方向和水平方向混合而成的等离激元波导，所述垂直方向的等离激元波导由三层材料构成，包括第一层的高折射率材料，第二层的低折率材料和第三层的金属材料，所述水平方向的等离激元波导由三层材料构成，包括第一层的高折率材料，第二层的低折射率材料和第三层的金属材料，所述垂直方向与水平方向的第二层结构均位于第一层和第三层结构之间。

进一步的，所述高折射率材料si的折射率是3.478，低折射率材料sio2的折射率是1.44，低折射率材料空气的折射率是1。

进一步的，si高度选取100～400nm之间，宽度选取100～300nm之间，低折射率层选取在30～80nm之间。

光场被很好的限制在低折射率介质层(空气、sio2)中，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。

模式有效折射率的实部代表混合等离激元波导结构中的折射率，而虚部大小决定了混合模式在波导中传播时传输损耗的大小。

本发明的优点在于：该种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导：

(1)结构简单易设计，材料获取容易，制备易实现；

(2)可以实现在不激发传统模式波导的前提下，在水平、垂直方向上分别支持te、tm的混合等离激元模式,突破了现有结构的局限性；

(3)通过材料的适当选择和结构尺寸的合理设计，能保持较低的传输损耗；

(4)结构紧凑，因此便于光子集成，可应用于超高密度集成光路，易应用于高集成度的光波导芯片中。

附图说明

图1为实施例同时支持te、tm模式的混合等离激元波导结构截面示意图。

图2为实施例波长为λ＝1550nm的te偏振光波导模式分布图。

图3为实施例波长为λ＝1550nm的tm偏振光波导模式分布图。

图4为实施例波长为λ＝1550nm的光波导模式有效折射率实部随si的宽度的变化关系图。

图5为实施例波长为λ＝1550nm的光波导模式有效折射率实部随si的高度的变化关系图。

图6为实施例波长为λ＝1550nm的光波导模式有效折射率实部随低折射率介质层厚度(sio2的高度和空气层宽度)g的变化关系图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

如图1所示，该同时支持te、tm模式光波导模式的混合等离激元波导是由三种材料a、b与c构成的结构，分为左右两部分，分别是高折射率介质si、低折射率介质sio2与贵金属ag。对应的sio2的高度和左右两部分之间空气层的宽度为g。

本实施例中的高折射率介质、低折射率介质和贵金属为si、sio2和空气、ag，其中si的折射率为3.478，sio2的折射率为1.44，空气折射率为1。对于1550nm波长光入射下，所对应金属银的折射率为0.145+11.438i。

图2和图3分别为为实施例波长为λ＝1550nm的te和tm偏振光波导模式分布图。其中低折射率介质层厚度(sio2的高度和空气层宽度)g＝50nm。由图可见，在1550nm波长光入射下，所述的混合等离激元波导在低折射率介质区域有明显的场增强效应，并且具有超强的模场限制能力。

图4为实施例波长为λ＝1550nm的光波导模式有效折射率实部随si的宽度w_si的变化关系。由图可见，光波导模式有效折射率实部随si的宽度w_si的增大而增大，表明波导对传输模式限制能力随si的宽度增加而增强。

图5为实施例波长为λ＝1550nm的光波导模式有效折射率实部随si的高度h_si的变化关系。由图可见，光波导模式有效折射率实部随si的高度h_si的增大而增大，表明波导对传输模式限制能力随si的高度增加而增强。

图6为实施例波长为λ＝1550nm的光波导模式有效折射率实部随低折射率介质层厚度(sio2的高度和空气层宽度)g的变化关系。由图可见，光波导模式有效折射率实部随低折射率介质层厚度(sio2的高度和空气层宽度)g增大而减小，表明波导对传输模式限制能力随低折射率介质层厚度增大而增强，且tm模式有效折射率实部较te模式更大。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

技术特征：

1.一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，其特征在于，包括垂直方向和水平方向混合而成的等离激元波导，所述垂直方向的等离激元波导由三层材料构成，包括第一层的高折射率材料，第二层的低折率材料和第三层的金属材料，所述水平方向的等离激元波导由三层材料构成，包括第一层的高折率材料，第二层的低折射率材料和第三层的金属材料，所述水平方向第一层的高折射率材料与垂直方向第一层的高折射率材料结构一致，所述垂直方向与水平方向的第二层结构均位于第一层和第三层结构之间。

2.根据权利要求1所述的一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，其特征在于：所述垂直方向和所述水平方向的等离激元波导均以sio2为衬底。

3.根据权利要求1所述的一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，其特征在于：所述垂直方向与水平方向的等离激元波导第一层的高折射率材料均为si，其折射率为3.478。

4.根据权利要求1所述的一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，其特征在于：所述垂直方向的等离激元波导第二层的低折率材料为sio2，其折射率为1.44。

5.根据权利要求1所述的一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，其特征在于：所述垂直方向与水平方向的等离激元波导第三层的金属材料均为ag。

6.根据权利要求1所述的一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，其特征在于：所述水平方向的等离激元波导第二层的低折率材料为介质空气，其折射率为1。

7.根据权利要求1所述的一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，其特征在于：所述混合等离激元波导的工作波长为1550nm。

8.根据权利要求3所述的一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，其特征在于：所述高折射率材料si的高度为100-400nm，宽度为100-300nm。

9.根据权利要求1所述的一种同时支持te、tm模式的混合等离激元波导，其特征在于：所述垂直方向与水平方向的等离激元波导第二层的低折率材料的宽度均为30-80nm。

技术总结
本发明公开了一种同时支持TE、TM模式的混合等离激元波导，该波导能在不激发传统模式波导的前提下，在垂直、水平方向上分别支持TM、TE的混合等离激元模式。在垂直、水平方向上各有三层结构：以SiO2为衬底，在垂直方向上第一层结构是高折射率材料Si，第二层结构是低折射率材料SiO2，第三层结构是金属Ag；在水平方向上第一层结构是高折射率材料Si且与水平方向的第一层结构一致，第二层结构是低折射率介质空气，第三层结构是金属Ag。所述垂直、水平方向的第二层结构均位于第一层与第三层结构之间。此波导实现了对光波偏振态的控制，为实现需要偏振控制的各种应用的高密度集成提供了可能。

技术研发人员：许吉;黄兢凯;谭悦;董雅璠;陆昕怡;刘宁;陆云清
受保护的技术使用者：南京邮电大学
技术研发日：2019.05.09
技术公布日：2020.11.10