[发明专利]一种表面等离子激元波导

说明书

技术领域

本发明属于波导技术，具体涉及一种表面等离子激元波导。

背景技术

表面等离子激元波导（SPP WG）是未来高集成光路的理想候选之一，它能将模场限制在金属-电介质表面的狭小区域内，突破光的衍射极限，从而可以大大减小波导中光场的模场面积，为进一步减小未来光路元件的尺寸提供了可能。同时，由于具有极小的模场面积，它能够提供极高的能量密度，可以在众多需要高能量密度的非线性应用中发挥巨大的潜力，如全光开关，全光波长转换等，因而近年来受到越来越多的关注。

表面等离子激元波导的结构种类繁多，如金属薄片、金属纳米棒、电介质基底上的金属条、金属狭缝波导等等，这些结构的表面等离子激元波导没有能够很好地解决模场限制与金属吸收损耗之间的平衡问题，导致在实际应用中总是会受到模场限制不足或者吸收损耗过大的制约，很难将它应用于目前理论研究较为成熟的非线性光学应用中。最近一种混合表面等离子激元波导给这二者的平衡带来了新的希望，它能在具有很好模场限制的前提下减小损耗，从某种意义上说可以突破上述制约。不过，其损耗依然随模场限制增强而增大。同时，已经提出的混合表面等离子激元波导仅能获得100μm到1mm量级的传播长度，很难继续减小损耗进而提高传播长度，以满足高集成光路以及全光信号处理的相关功能性要求。所以，当模场被限制在几十nm甚至几nm的微小尺度范围内时，需要对该混合表面等离子激元波导进行重新设计以保持较低的损耗特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有新型结构的表面等离子激元波导，使之具有很低的损耗，并能适用于全光信号处理。

本发明提供的一种表面等离子激元波导，其特征在于，传统缝波导的低折射率电介质缝区域变更为夹层结构，该夹层结构的两侧仍为低折射率电介质层，中心为金属材料层，使得模场能被限制在夹层中金属两侧的两个低折射率电介质层区域；所述夹层结构两侧设置有高折射率电介质层；两个高折射率电介质层、两个低折射率电介质层以及金属层构成“高折射率电介质-低折射率电介质-金属-低折射率电介质-高折射率电介质”的叠层结构，所述叠层结构水平横放或竖直叠置在基底层上。

作为上述技术方案的改进，所述金属材料层在叠置方向上的长度为5nm至50nm。

作为上述技术方案的进一步改进，所述低折射率电介质层的在叠置方向上的长度为5nm至50nm。

作为上述技术方案的更进一步改进，所述金属材料层为包括金、银或铝在内的常用金属材料。

本发明提供的表面等离子激元波导利用了表面等离子激元模式和传统缝波导模式的混合。在传统缝波导基础上，加入中心金属层，利用金属-电介质表面等离子激元效应，进一步增强模式局域性。另外，利用薄金属层长程表面等离子激元效应以减小金属的吸收损耗，从而得到很长的传播长度(能到达1mm以上)。

具体而言，本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用表面等离子体效应增强的缝波导，进一步减小了缝波导的模场尺寸，提高了能量密度，使之适于全光非线性信号处理的需要。

2、本发明可以与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容，能够在现有硅基制作平台上进行制作。

3、本发明采用的波导区域材料可以灵活选择，比如选择具有很高的非线性折射率系数n₂的材料适于克尔效应的应用，或选择很高双光子吸收系数β_TPA的材料适于双光子吸收效应的应用等等，这可以进一步提高非线性应用的效率。

附图说明

图1是本发明提供的混合表面等离子激元波导（叠层结构水平横放在基底层上）的结构图；

图2是本发明提供的混合表面等离子激元波导（叠层结构竖直叠置在基底层上）的结构图

图3是本发明实例提供的混合表面等离子激元波导在波长1550nm时归一化模场能流密度沿x方向（y=0）的分布（叠层结构水平横放在基底层上）。

具体实施方式