一种长程表面等离子激元波导耦合器的制作方法

本实用新型涉及电子技术领域，具体是一种长程表面等离子激元波导耦合器。

背景技术：

目前，光纤跟硅基光子器件的耦合主要采用端面耦合方式进行耦合。所谓的端面耦合是直接耦合的一种，就是把平端光纤与未处理的硅基光子器件端面直接对接，进行能量的传递。但是光纤跟硅基光子器件的模场面积不匹配，特别是硅基器件，因为硅本身的折射率是3.5左右，而组成光纤的材料的折射率一般为1.4，从光纤射出的光未经过任何处理直接耦合进波导会产生巨大的模场失配损耗，耦合效率极低。而耦合效率的高低直接决定了一个光学器件的性能。

为了提高耦合效率，耦合器这一概念被提出来，耦合器通过自身结构的特性可调整光场的模场、提高模式匹配程度，以达到提高耦合效率的目的。耦合器包括三大类，楔形耦合器、透镜耦合器和光栅耦合器。但是由于光存在衍射极限，而这些耦合器都无法对光场进行极限压缩，从而使得通过这些耦合器的光突破衍射极限，高效耦合进纳米光子器件，故而它只能在微米量级的光子器件的耦合中发挥高效耦合的作用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种长程表面等离子激元波导耦合器。这种耦合器能使入射光突破衍射极限，高效耦合进硅基光子器件中，能提高光纤与硅基光子器件之间的耦合效率，而且此种长程表面等离子激元波导耦合器结构简单，对于工艺要求低，易于加工，成本较低。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种长程表面等离子激元波导耦合器，包括顺序叠接的第一SiO₂层、Ag层和第二SiO₂层，所述第一SiO₂层和第二SiO₂层对称设置在Ag层的两面。

所述第一SiO₂层和第二SiO₂层的结构、形状完全一致。

所述SiO₂层为直角梯形体，直角梯形体的两个端面为耦合端面，两个耦合端面的面积不等，面积大的第一耦合端面与光纤耦合端面A重合，面积小的第二耦合端面与波导耦合端面B重合，第一耦合端面、第二耦合端面为长方形，长方形的长边长度为短边长度的2倍。

所述直角梯形体与Ag层的接触面垂直于第一耦合端面和第二耦合端面。

所述直角梯形体的4条棱边呈曲线形状，制作曲线的参数按幂函数的函数方程获取，这样可以有效地避免光的溢散，降低光在长程表面等离子激元波导耦合器中的传输损耗。

第一SiO₂层的作用是传输光、调整光的模场面积并对进行压缩。

光在Ag层表面传输时，光和Ag层表面自由电子的相互作用会引起一种电磁波模式，这种电磁波模式就是表面等离子激(Surface Plasmon Polariton,简称SPP)。表面等离子激元的作用增强长程表面等离子激元波导耦合器对光的束缚作用，使光不会在长程表面等离子激元波导耦合器对光场进行压缩时造成大量的传输损耗，高效的耦合进硅基光子器件，从而提高光纤跟硅基光子器件的耦合效率。

第二SiO₂层与第一SiO₂层的作用相同，用于光的传输和模场面积的调整，同时它也与第一SiO₂层构成一种对称结构，调整光场的形状，当长程表面等离子激元波导耦合器与硅基光子器件耦合时，长程表面等离子激元波导耦合器的光场与器件的光场的重叠程度提高，以达到高效耦合的目的。

这种波导耦合器利用表面等离子激元的亚波长束缚特性，使入射光突破衍射极限，能够高效耦合进硅基光子器件中，并且当入射光通过长程表面等离子激元波导耦合器时，对光进行压缩，调整其模场面积，使得其模场能够跟硅基光子器件的模场进行匹配，从而提高耦合效率。

耦合效率η与模场匹配的关系可以用两器件模场分布的重叠积分表示

E_w、E_f分别表示两耦合器件的模场面积，E_w为入射光的模场面积，E_f为出射光的模场面积。为了实现光纤跟硅基光子器件的最佳耦合，必须保证它们的模场有最大的重叠，也就是使E_w和E_f尽量相等。

这种耦合器能使入射光突破衍射极限，高效耦合进硅基光子器件，提高了光纤与硅基光子器件之间的耦合效率，而且此种长程表面等离子激元波导耦合器结构简单，对于工艺要求低，易于加工，成本较低。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为图1的爆炸图；

图3为实施例端面耦合方式的示意图。

图中，1.光纤 2.波导耦合器 3.硅基光子器件 4.第一SiO2层 5.Ag层 6.第二SiO₂层 7.接触面 8.第一耦合端面 9.第二耦合端面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型内容作进一步的阐述，但不是对本实用新型的限定。

实施例：

参照图1、图2、图3，一种长程表面等离子激元波导耦合器，包括顺序叠接的第一SiO₂层4、Ag层5和第二SiO₂层6，所述第一SiO₂层4和第二SiO₂层6对称设置在Ag层5的两面。

所述第一SiO₂层4和第二SiO₂层6的结构、形状完全一致。

所述SiO2层4为直角梯形体，直角梯形体的两个端面为耦合端面，两个耦合端面的面积不等，面积大的第一耦合端面8与光纤耦合端面A耦合，面积小的第二耦合端面9与波导耦合端面B重合，第一耦合端面8、第二耦合端面9为长方形，长方形的长边长度为短边长度的2倍。

所述直角梯形体与Ag层5的接触面7垂直于第一耦合端面8和第二耦合端面9。

所述直角梯形体的4条棱边呈曲线形状，制作曲线的参数按幂函数的函数方程获取。

第一SiO₂层4的作用是传输光、调整光的模场面积并对进行压缩。

光在Ag层5表面传输时，光和Ag层5表面自由电子的相互作用会引起一种电磁波模式，这种电磁波模式就是表面等离子激。表面等离子激元的作用增强长程表面等离子激元波导耦合器对光的束缚作用，使光不会在长程表面等离子激元波导耦合器对光场进行压缩时造成大量的传输损耗，高效的耦合进硅基光子器件，从而提高光纤跟硅基光子器件的耦合效率。

第二SiO₂层6与第一SiO₂层4的作用相同，用于光的传输和模场面积的调整，同时它也与第一SiO₂层4构成一种对称结构，调整光场的形状，当长程表面等离子激元波导耦合器与硅基光子器件耦合时，长程表面等离子激元波导耦合器的光场与器件的光场的重叠程度提高，以达到高效耦合的目的。

具体地：

如图3所示，长程表面等离子激元波导耦合器2与光纤1进行端面耦合，将光纤1射出的光耦合进长程表面等离子激元波导耦合器2中，在长程表面等离子激元波导耦合器2中对光的模场面积进行调整；长程表面等离子激元波导耦合器2与硅基光子器件3进行端面耦合，再将光耦合进平板波导中，整个过程中，长程表面等离子激元波导耦合器2起到调整入射光的模场面积的作用，使得光能高效耦合进平板波导中。

耦合效率η与模场匹配的关系可以用两器件模场分布的重叠积分表示

E_w、E_f分别表示两耦合器件的模场面积，E_w为入射光的模场面积，E_f为出射光的模场面积，为了实现光纤跟硅基光子器件的最佳耦合，必须保证它们的模场有最大的重叠，也就是使E_w和E_f尽量相等。

本实施例的COMSOL^TM仿真计算：在光纤1与长程表面等离子激元波导耦合器2耦合时，光纤1的模场面积为127.08um²，而长程表面等离子激元波导耦合器2的第一耦合端面8的模场面积为126.73um²；在长程表面等离子激元波导耦合器2的第二耦合端面9与硅基光子器件3端面耦合时，硅基光子器件3的第一耦合端面8的模场面积为1.82um²，硅基光子器件3端面的模场面积为0.88um²，故而其模场匹配效率较高，可以大大减小模场失配损耗，以达到提高光纤与硅基光子器件之间的耦合效率的目的。