专利名称：一种低损耗混合型表面等离子激元光波导的制作方法
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混合型表面等离子激元 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。
在纳米光子集成的实际应用中，主要有两种基于表面等离子激元的介质/金 属异质结构，即金属/介质/金属结构和介质/金属/介质结构。
(1) 金属/介质/金属结构
该结构由嵌在金属中的一个很薄的介质层构成。通常介质层的高度为亚微 米量级。
当上下金属的高度远大于介质层的高度时，光场主要被限制在介质层内传
输。由于表面等离子波对于金属的穿透深度很短(在光波段约为20纳米)，光 能量绝大部分被限制在高度可达亚波长尺寸的中心介质层中，因而基于该结构 的波导能实现对光的亚波长尺寸约束。该结构中存在对称和反对称两种模式。 其中的对称模式由于其场分布特性易被自由空间光束或其它波导激发。拉施 特-齐亚等人研究表明，对称模式的模场尺寸最小可降低到100纳米以下。该 结构的光场约束能力比介质/金属/介质结构高4个数量级。但传统的金属/介质 /金属结构的损耗非常大，其传输长度通常被限制在微米量级
针对传统的金属/介质/金属结构场限制能力较强但损耗相对较大的特点， 研究人员在保证亚波长约束的前提下，以降低损耗为目的，对传统的金属/介质 /金属结构进行了各种改进，取得了一定成效。其中波士顿大学的冯宁宁等人在 金属层周围加入低折射率介质的方案可将传输损耗降低到103dB/cm量级。
(2) 介质/金属/介质结构
该结构由嵌在介质材料中一个很薄的金属层构成。通常金属层的高度为几 十纳米。
该结构中金属层的上下两个界面非常接近，两界面上的表面等离子波发生 耦合，形成两种模式。根据其电场或磁场沿金属和介质界面方向的对称性，将 其分为对称和反对称模式。其中反对称模式的损耗大，传输长度相对较短，被 称为短程表面等离子激元模式；对称模式的损耗小，传输长度相对较长因而被 称为长程表面等离子激元模式。长程表面等离子激元模式的光场能量绝大部分分布于两边介质层中，使得其传输损耗相对较小。其传输长度随着金属层高度 的减小而增大，可以达到毫米量级。丹麦科技大学的亚历山大等人研究表明，
该损耗最低可达几个dB/cm。但同时，实现低损耗传输的代价是传输模式的光场 的尺寸很大。斯坦福大学拉施特 齐亚研究小组发现该结构的模场尺寸最小仍 在5微米左右，大于其自由空间波长的3倍，无法实现亚波长的光场限制。
美国亚拉巴马大学郭军鹏研究小组对传统的介质/金属/介质结构进行了改 进，他们通过在金属层两侧添加更低折射率介质层可以提高传统长程表面等离 子激元的传输长度，但代价是其模场尺寸的进一步扩大。
斯坦福大学拉施特 齐亚研究小组和范汕洄研究小组的研究结果表明较大 的模场尺寸会导致相邻表面等离子激元光波导之间的相互干扰，从而限制波导 间的最小间距，不利于光波导的高密度集成。因此，如何在保证低损耗传输的 同时，实现较小表面等离子激元光波导的模场尺寸，获得较高的场限制能力就 成为亟待解决的问题。
加州大学伯克利分校的张翔研究小组最新研究发现在低折射率介质/金属 结构的附近添加一个高折射率介质层，可将光场约束到高折射率介质层和金属 界面之间的低折射率介质狭缝中传输，同时保持较低的传输损耗。但该结构只 适用于半无限大的金属层情况，不易在实际的集成光学芯片结构中应用。本发 明则在介质/金属/介质结构中引入两个高折射率介质结构，既有效地降低其模 场尺寸又保持了较低的传输损耗。该二维结构与平面加工工艺匹配，易应用于 多层、高集成度的光波导芯片中。
发明内容
本发明的目的是克服现有的介质/金属/介质表面等离子激元光波导场限制 能力差(即模场尺寸大)、难于实现高密度波导集成的缺陷，从而实现一种同时 具备低传输损耗和4交强场限制能力的混合型表面等离子激元光波导结构。
本发明提供了一种混合型表面等离子激元光波导结构，其横截面为嵌于低 折射率介质中的金属层和分别位于其上下两侧的两个高折射率介质区域(如图1
所示)
所述结构中金属层为宽度不小于0.5倍传输光信号的波长，其高度范围为 10-100nm。
所述结构中金属层的材料为金、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。
所述结构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，所述高折射率 介质区域的边缘到金属层表面的最小距离范围为所传输的光信号的波长的 0. 01-0. 1倍。
所述结构中高折射率介质区域的截面形状为正方形、矩形、圆形、椭圓形 或梯形中的任何一种。
所述结构中两个高折射率区域的形状和位置相对于金属层对称，材料折射 率相同。所述结构中低折射率介质的折射率与高折射率介质的折射率比值小于
0. 75。
本发明的混合型表面等离子激元光波导具有以下优点
本发明所设计的混合型表面等离子激元光波导与现有的介质/金属/介质表 面等离子激元光波导相比，其长程表面等离子激元模式的场限制能力大大提高， 同时保持了低传输损耗。因此便于集成，可应用于超高密度集成光路。
该二维结构易于与平面芯片加工工艺匹配，易应用于多层、高集成度的光
波导芯片中。
图1是混合型表面等离子激元光波导的结构示意图。区域l为金属层，其 宽度为W，高度为/z/;区域2为低折射率介质区；区域3为金属层上侧(即沿 Y轴正方向)的高折射率介质区，其宽度为高度为&，区域3边缘到区域 1上表面的最小距离为Aw区域4为金属层下侧(即沿Y轴负方向)的高折射 率介质区，其宽度为高度为&,区域4边缘到区域1下表面的最小距离为 &/。
图2是实例1所述混合型表面等离子激元光波导的结构图。201为金属层， iV为其折射率，l为其宽度,/^为其高度；202为低折射率介质区，n。为其折 射率；203为201上侧(即沿Y轴正方向)的高折射率介质区，nd为其折射率，『rf 为其宽度，Arf为其高度，&为203边缘到201上表面的最小距离；204为201下 侧(即沿Y轴负方向)的高折射率介质区，nd为其折射率，P^为其宽度，&为 其高度，Ac为204边缘到201下表面的最小距离。
图3是传输光信号的波长为1. 55um时传统介质/金属/介质表面等离子激 元光波导及实例1所述混合型表面等离子激元光波导的长程表面等离子激元模 式光场的磁场强度分布曲线。其中，图3 (a)为磁场强度Y分量沿X轴方向的 分布曲线，图3 (b)为磁场强度Y分量沿Y轴方向的分布曲线。
图4是传输光信号的波长为1. 55ixm时实例1所述混合型表面等离子激元 光波导内传输的长程表面等离体激元模式的有效折射率随距离4的变化曲线。
图5是传输光信号的波长为1. 55iim时实例1所述混合型表面等离子激元 光波导内传输的长程表面等离子激元模式的传输损耗随距离4的变化曲线。
图6是实例2所述混合型表面等离子激元光波导的结构图。601为金属层， nm为其折射率，l为其宽度，/^为其高度；602为低折射率介质区，nc为其折 射率；603为601上侧(即沿Y轴正方向)的高折射率介质区，nd为其折射率，『rf 为其宽度，Arf为其高度，Ac为603边缘到601上表面的最小距离；604为601下 侧(即沿Y轴负方向)的高折射率介质区，rid为其折射率，)^为其宽度，/^为 其高度，/ c为604边缘到601下表面的最小距离。
图7是传输光信号的波长为1. 55 " m时传统介质/金属/介质表面等离子激 元光波导及实例2所述混合型表面等离子激元光波导的长程表面等离子激元模 式光场的磁场强度分布曲线。其中，图7 (a)为磁场强度Y分量沿X轴方向的 分布曲线，图7 (b)为磁场强度Y分量沿Y轴方向的分布曲线。
5图8是传输光信号的波长为1. 55nm时实例2所述混合型表面等离子激元 光波导内传输的长程表面等离体激元模式的有效折射率随距离4的变化曲线。
图9是传输光信号的波长为1. 55um时实例2所述混合型表面等离子激元 光波导内传输的长程表面等离子激元模式的传输损耗随距离4的变化曲线。
具体实施例方式
表面等离子激元光波导的两个重要指标为其场限制能力和传输损耗。 场限制能力可由模场尺寸来表征，模场尺寸定义为在两边包层材料中传输 模式的磁场强度衰减为其峰值的1/e时的两个位置之间的空间距离。 传输损耗Zow的表达式如下
Z證=20log(e)yt。 Im(iVe#) 8.6緣0 Im(7Ve#)(必/附) (1 )
其中/附(7^J为模式有效折射率的虚部，/t。表示光在真空中的波数。传输损
耗的大小决定了光在介质中的传输长度。传输长度；定义为任一界面上电场强 度衰减为起始值1/e时的距离，二者的关系表达式为
Z脇=8.686/、 (2)
本发明所设计的混合型表面等离子激元光波导采用介质/金属/介质的基本 结构。传统的介质/金属/介质波导的模场尺寸很大，而在其金属层的两侧较近 位置处分別放置一高折射率的介质区域后，通过调整高折射率介质区域的尺寸 及其与金属层的距离间隔，则可以使部分光场被约束到高折射率介质区域和金
属层之间的低折射率介质区域中，因而模场尺寸显著减小；同时由于光场主要 在低折射率介质区域中传输，其传输损耗依然保持在相对较小的量级。因此， 所述混合型表面等离子激元光波导结构同时具备传输损耗小和场限制能力强两 大伊G点。
实例l:高折射率介质区域截面为矩形的光波导
图2是实例1所述混合型表面等离子激元光波导的结构图。201为金属层， nm为其折射率，『M为其宽度,/^为其高度；202为低折射率介质区，n。为其折 射率；203为201上侧的高折射率介质区，nd为其折射率，f^为其宽度，&为其 高度，^为203边缘到201上表面的最小距离；204为201下侧的高折射率介质 区，nd为其折射率，『rf为其宽度，/^为其高度，/^为204边缘到201下表面的最 小距离。
在本实例中，传输的光信号的波长选定为1. 55um, 201的材料为金，在 1. 55 u m波长处的折射率为0. 55+i*ll. 5; 202的材料设为二氧化硅，其折射率 为1. 444; 203和204的材料设为硅，其折射率为3. 478。
在本实例中，201的宽度『m= 2000nm,高度1=30腿；203和204的宽度 『d= 200nm,高度&=100腿；距离Ac的取值范围为2-300誦。
使用全矢量有限元方法对本实施例中的上述波导结构进行仿真，计算得到 1. 55 ii m波长处长程表面等离子激元模式的模场分布及有效折射率。
图3是传输光信号的波长为1. 55 u m时传统介质/金属/介质表面等离子激元光波导及实例1所述混合型表面等离子激元光波导的长程表面等离子激元模
式光场的磁场强度分布曲线。其中，图3 (a)为磁场强度Y分量沿X轴方向的 分布曲线，图3 (b)为磁场强度Y分量沿Y轴方向的分布曲线。由图3可见， 所述混合型表面等离子激元光波导光场的磁场强度曲线在-lOOOnm至lOOOnm范
围内的分布更集中，其模场尺寸更小。
图4是传输光信号的波长为1. 55um时实例1所述混合型表面等离子激元 光波导内传输的长程表面等离子激元模式的有效折射率随距离力c的变化曲线。 由图4可见，所述混合型光波导的长程表面等离子激元模式的有效折射率随距 离4增大而减小。
图5是传输光信号的波长为1. 55um时实例1所述混合型表面等离子激元 光波导内传输的长程表面等离子激元模式的传输损耗随距离4的变化曲线。由 图5可见，所述混合型光波导的长程表面等离子激元模式的传输损耗随距离4 增大而减小。当距离4小于15nm (约为所传输的光信号的波长的0. 01倍)时， 长程表面等离子激元模式的传输损耗增大很快，因此要实现低损耗传输，应限
制距离4不小于所传输的光信号的波长的0. 01倍。
计算得到实例1所述波导在1. 55 u m波长处，当距离&为15-100nm时，其 长程表面等离子激元模式的模场尺寸为398-1189nm，传输损耗为
0. 028-0. 0086dB/um。当距离^大于150nm(约为所传输的光信号的波长的0. 1 倍)时，其长程表面等离子激元模式的模场尺寸已超过所传输的光信号的波长
(1550nm)。因此，要实现对传输光场的亚波长尺寸约束，应限制距离/^不大于 所传输的光信号的波长的0.1倍。相同条件下传统的介质/金属/介质波导的长 程表面等离子激元模式的模场尺寸为7336nm,传输损耗为0. 0006dB/y m。因此， 选取合适的距离参数，实例1所述波导可以同时实现低损耗和对光场的亚波长 尺寸约束，而传统介质/金属/介质波导则无法实现。
实例2:高折射率介质区域截面为圓形的光波导
图6是实例2所述混合型表面等离子激元光波导的结构图。601为金属层， nm为其折射率，f^为其宽度,/^为其高度；602为低折射率介质区，n。为其折 射率；603为601上侧的高折射率介质区，nd为其折射率，f^为其宽度，/^为其 高度，^为603边缘到601上表面的最小距离；604为601下侧的高折射率介质 区，na为其折射率，f^为其宽度，/ rf为其高度，/ c为604边缘到601下表面的最 小距离。
在本实例中，传输的光信号的波长选定为l.55um, 201的材料为金，在
1. 55 u m波长处的折射率为0. 55+i*ll. 5; 202的材料设为二氧化硅，其折射率 为1. 444; 203和204的材料设为硅，其折射率为3. 478。
在本实例中，601的宽度^ = 2000醒，高度/^=30腿，；6tB和6(M的宽度 『rf= 150nm,高度/^二150nm,;距离Ac的取值范围为2_300誦。
使用全矢量有限元方法对本实施例中的上述波导结构进行仿真，计算得到 1. 55 u ra波长处长程表面等离子激元模式的模场分布及有效折射率。
图7是传输光信号的波长为1. 55 u m时实例2所述混合型表面等离子激元模式光场的磁场强度分布曲线。其中，图7 (a) 为磁场强度Y分量沿X轴方向的分布曲线，图7 ( b )为磁场强度Y分量沿Y轴 方向的分布曲线。由图7可见，所述混合型表面等离子激元光波导光场的磁场 强度曲线在-1000nm至1000nm范围内的分布更集中，其模场尺寸更小。
图8是传输光信号的波长为1. 55iim时实例2所述混合型表面等离子激元 光波导内传输的长程表面等离子激元模式的有效折射率随距离&的变化曲线。 由图8可见，长程表面等离子激元模式的有效折射率随距离^增大而减小。
图9是传输光信号的波长为1. 55um实例2所述混合型表面等离子激元光 波导内传输的长程表面等离子激元模式的传输损耗随距离力c的变化曲线。由图 9可见，所述混合型光波导的长程表面等离子激元模式的传输损耗随着距离4 增大而减小。当距离/^小于15nm (约为所传输的光信号的波长的0. Ol倍)时， 长程表面等离子激元模式的传输损耗增大很快，因此要实现低损耗传输，应限 制距离/^不小于所传输的光信号的波长的0. 01倍。
计算得到实例2所述波导在1. 55um波长处，当距离/^为15-100nm时，其 长程表面等离子激元模式的模场尺寸为354-1158nm，传输损耗为 0. 023-0. 008dB/iim。当距离/^大于150nm (约为所传输的光信号的波长的0. 1 倍)时，其长程表面等离子激元模式的模场尺寸已超过所传输的光信号的波长 (1550nm)。因此，要实现对传输光场的亚波长尺寸约束，应限制距离&不大于 所传输的光信号的波长的0.1倍。相同条件下传统的介质/金属/介质波导的长 程表面等离子激元模式的模场尺寸为7336nm，传输损耗为0. 0006dB/um。选取 合适的距离参数，实例2所述波导可以同时实现低损耗和对光场的亚波长尺寸 约束，而传统介质/金属/介质波导则无法实现。
实例1和实例2的仿真结果表明，本发明所涉及的波导结构中的高折射率 介质区域的截面形状可以采用矩形、圓形及其相近形状来实现。
最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的表面等离子 激元光波导结构，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领 域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都 不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当 中。
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权利要求
1.一种同时具备低传输损耗和较强场约束能力的混合型表面等离子激元光波导结构，其横截面为嵌于低折射率介质中的金属层和分别位于其上下两侧的两个高折射率介质区域。
2. 根据权利要求l所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中金属层为 宽度不小于所传输的光信号的波长的0. 5倍，其高度范围为10-100nm。
3. 根据权利要求l所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中金属层的 材料为金、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。
4. 根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中高折射率 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，所述高折射率介质区域的边缘到金属层表面的 最小距离范围为所传输的光信号的波长的0. 01-0. 1倍。
5. 根据权利要求l所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中高折射率 介质区域的截面形状为正方形、矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。
6. 根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中两个高折 射率区域的形状和位置相对于金属层对称，材料折射率相同。
7. 根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中低折射率 介质的折射率与高折射率介质的折射率比值小于0. 75。
全文摘要
本发明公开了一种具有低传输损耗和较强光场限制能力的混合型表面等离子激元光波导，该波导结构的横截面包括嵌于低折射率介质(2)中的金属层(1)和分别位于其上下两侧的两个高折射率介质区域(3、4)。与金属层紧邻的高折射率介质区域的存在，可显著地缩小该波导结构的光场分布范围，实现对传输光场的二维亚波长约束；同时仍能保持较低的传输损耗。所述光波导结构克服了现有表面等离子激元光波导在光场限制能力和传输损耗之间的矛盾，解决了大尺寸、高集成度表面等离子激元光波导器件中的损耗与干扰的问题，为超高集成度光波导芯片的实现提供可能。
文档编号G02B6/10GK101630039SQ20091008033
公开日2010年1月20日 申请日期2009年3月19日 优先权日2009年3月19日
发明者卞宇生, 朱劲松, 欣 赵, 铮 郑 申请人:国家纳米科学中心;北京航空航天大学