[发明专利]一种低损耗介质加载型表面等离子激元光波导

说明书

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种低损耗介质加载型表面等离子激元光波导。

背景技术

表面等离子激元是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式。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。在适当的金属与介质组成的表面等离子激元光波导结构中，横向光场分布可被限制在几十纳米甚至更小的范围内，能够超过衍射极限的限制。表面等离子激元已在纳米光子学领域中显示出巨大的应用潜力，并为实现高集成度纳米光子芯片提供了可能。

模场限制能力和传输损耗是表征表面等离子激元光波导模式特性的两个重要参数。传统的表面等离子激元光波导主要包括金属/介质/金属型和介质/金属/介质型两类结构。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，研究人员提出了介质加载型表面等离子激元光波导。该波导的横截面由金属基底及位于其上方的有限尺寸的介质区域组成。与其他类型的表面等离子激元光波导相比，这种介质加载型表面等离子激元光波导既能在横向上提供亚波长尺寸的约束，同时又具有相对较小的传输损耗，此外，加工制作的简便也使得该类波导在集成光学中有较好的应用潜力。目前，国外很多研究小组都对介质加载型表面等离子激元光波导进行了系统的理论研究并报道了基于相关波导的微纳器件的实验进展。

传统的介质加载型表面等离子激元光波导通常采用的是折射率约1.535的低折射率聚合物材料。这类波导可以实现低损耗光信号传输但是其尺寸往往相对较大。通常为保证单模条件并保持较长的传输距离，聚合物横截面的长度和宽度往往都在六百纳米左右，相应的模场尺寸也已经达到近微米量级，不利于波导及器件的集成。而采用高折射率的材料(例如半导体材料)作为介质层可以缩小波导的整体尺寸并提高模场限制能力，但是随之引起的传输损耗会明显增大。

为解决该问题，本发明在上述高折射率介质加载型表面等离子激元光波导原有结构的基础上对其进行了改进。通过引入高、低折射率介质组成的复合结构，得到的新型表面等离子激元光波导同时具备较低传输损耗和较强的模场限制能力。由于低折射率介质区域可以采用空气或其它气体填充，该波导的传输损耗可以得到显著降低，另一方面场增强效应得到进一步加强。此外由于所提波导的高折射率介质层可以采用半导体材料，因此该二维结构可与半导体平面芯片加工工艺匹配，易应用于高集成度的光波导芯片中，对于实现大规模集成光路具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是克服基于高折射率材料的介质加载型表面等离子激元光波导场传输损耗大的缺陷，提出一种同时具备低传输损耗和较强场限制能力的介质加载型表面等离子激元光波导结构。

本发明提供了一种同时具备低传输损耗和较强场约束能力的介质加载型表面等离子激元光波导结构，其横截面包括金属基底层、位于金属基底层上的高折射率介质区域、被高折射率介质区域和金属基底层包围的低折射率介质区域、以及包层；其中，高折射率介质区域的宽度范围为所传输光信号的波长的0.06-0.4倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.06-0.4倍，低折射率介质区域与金属基底层相接，且低折射率介质区域的宽度范围为所传输光信号的波长的0.01-0.39倍，高度范围为所传输的光信号的波长的0.01-0.3倍；高折射率介质的材料折射率高于低折射率介质以及包层的材料折射率，低折射率介质和包层的材料可为相同材料或不同材料，低折射率介质和包层的材料折射率的最大值与高折射率介质的材料折射率的比值小于0.75。

所述介质加载型表面等离子激元光波导结构中金属层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、或是不同金属层复合的材料。

所述介质加载型表面等离子激元光波导结构中高折射率介质区域与低折射率介质区域共同构成的区域的截面的外轮廓形状为正方形、矩形、或梯形中的任何一种。

所述介质加载型表面等离子激元光波导结构中低折射率介质区域的截面的形状为正方形、矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。

本发明的介质加载型表面等离子激元光波导具有以下优点：