[发明专利]一种混合等离子体同轴纳米光波导结构及设备

说明书

本发明提供了一种混合等离子体同轴纳米光波导结构及设备，涉及纳米光通信技术领域，包括金属芯、包裹在所述金属芯外的光学非线性材料以及包裹在所述光学非线性材料外的金属包层；所述金属芯的截面为圆形，所述光学非线性材料和所述金属包层的截面为环形，本结构采用的材料价格便宜，加工技术成熟，具有良好的光学、电学和热学性能，利于提高集成光路的可靠性和稳定性，同时，材料对环境的污染小，便于回收利用。圆柱波导结构便于加工制造，也便于集成。本发明，性能优良，加工方便，价格低廉，适用面广，应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及纳米光通信技术领域，尤其是涉及一种混合等离子体同轴纳米光波导结构及设备。

背景技术

光子集成电路(Photonic Integrated Circuits，简称PICs)，也叫光学芯片，是目前先进计算领域研究的热点，是未来全光计算机的核心部件，如何实现在微纳尺度光信息的传输和操纵成为人们思考的主要问题。未来的新型光学芯片，必须具有尺寸小，运算快，价格低的要求，同时，必须与现有的电子器件互相兼容。到目前为止，基于硅片的电子集成电路技术已经十分成熟，可以实现微米尺度的电流传输，并且电子系统具有很强的非线性能力，便于实现复杂的逻辑运算。相比而言，光学器件的发展相对滞后。常规光学器件和系统尺寸较大，并最终受到光学衍射极限的限制，无法突破微米尺度。传统的光纤波导结构利用光的全反射原理，主要用于长范围高密度的信号传输。但是，通常的单模光纤纤芯直径为8μm～10μm，无法实现纳米尺度的光传输问题，并且传统光纤基于电介质材料，存在模式泄露问题，即信号丢失现象。

表面等离子体激元(Surface Plasmons，简称SPs)，是在一种存在于金属和介质交界面处的表面电磁波振荡，其特性介于电子和光子之间，以光学频率高速振荡。由于表面等离子体激元可以突破传统光学衍射的局限，实现光的近场放大和约束，因此它们提供了一种在纳米量级操纵光信号的方法。加州大学伯克利分校Xiang Zhang实验组在混合等离子体波导研究方面走在世界前列，其设计结构包括圆柱波导和平面衬底，并具有纳米间隙。他们的研究结果主要侧重于纳米结构的近场光学力场特性，用于纳米颗粒的捕获，以及纳米激光器的实现。斯坦福大学Jennifer Dionne课题组，在等离子体同轴纳米孔结构的研究中，也取得了一系列瞩目的成果，其结构包括银金属和二氧化硅间隙，应用领域也在于纳米颗粒的光学捕获和生物医学方面。

目前，对于纳米器件的研究大都集中在两个方面：金纳米天线和纳米孔的光学近场增强效应和硅波导结构的传输特性。金，具有很好的光学特性，但价格贵，加工成本高，目前仅在于实验室研究阶段，不利于大规模工业化生产。硅，在微电子领域具有举足轻重的作用，并且具有很强的三阶非线性光学特性，但在纳米量级的光学局限和放大方面，硅的特性却远不如金和银。不仅如此，硅无法在可见光下工作，在近红外波段，硅的双光子吸收非线性特性也比较明显，更重要的是，硅材料无法实现二阶光学非线性操作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种混合等离子体同轴纳米光波导结构及设备，目的在于实现未来全光光子芯片上，微纳尺度间的光信号和电信号传导问题，尤其关注的是环形光波信号。此种结构可以兼具传导电流和传输光线的功能，并且便于进行非线性光学运算。

第一方面，本发明提供的一种混合等离子体同轴纳米光波导结构，包括：

金属芯；

包裹在所述金属芯外的光学非线性材料；

包裹在所述光学非线性材料外的金属包层；

所述金属芯的截面为圆形，所述光学非线性材料和所述金属包层的截面为环形。

进一步的，所述金属芯和所述金属包层的材料为铜。

进一步的，所述光学非线性材料的材料为氮化铝。

进一步的，所述金属芯的直径为400至700nm。