专利名称：一种低损耗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。解决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，开发具有新特性的表面等离子激元光波导一直是研究人员努力的方向。在波导中引入高折射率的材料(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，本发明在上述含有高折射率介质的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含有高折射率介质的表面等离子激元光波导传输损耗大的缺陷，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强场约束能力的表面等离子激元光波导结构，其横截面包括介质基底层、位于介质基底层上的高折射率介质区域、高折射率介质区域上方的金属层、被高折射率介质区域和金属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，低折射率介质区域上方与金属层下方相接，且低折射率介质区域的宽度范围为高折射率介质区域宽度的0. 15-0. 9倍，其高度范围为高折射率介质区域宽度的0. 15-0. 9倍，金属层的宽度大于低折射率介质区域的宽度且不大于高折射率介质区域的宽度；高折射率介质的材料折射率高于介质基底层、低折射率介质区域、以及包层的材料折射率，介质基底层的材料折射率大于1. 4，介质基底层、低折射率介质区域和包层的材料可为相同材料或不同材料，介质基底层、低折射率介质区域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、或是上述金属构成的复合材料。所述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。本发明的表面等离子激元光波导具有以下优点1.所提表面等离子激元光波导的低折射率介质区域的材料可以采用二氧化硅等低折射率材料或者其它低折射率聚合物材料，也可以采用空气及其它气体填充，其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，传统的基于高折射率介质的表面等离子激元光波导则无法实现这一目标。2.所提表面等离子激元光波导与现有的基于低折射率的表面等离子激元光波导相比，其尺寸明显缩小，提高了集成度，同时保持较低的传输损耗。与基于高折射率的表面等离子激元光波导相比，其传输损耗大大降低，同时保持了亚波长模场限制能力。3.由于所提表面等离子激元光波导的高折射率介质层可以采用半导体材料，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。
图1是所述表面等离子激元光波导的结构示意图。区域1为金属层，其宽度为Wm， 高度为hm ；区域2为低折射率介质区，其宽度为W1,高度为Ill ；区域3为高折射率介质区，其宽度为W，高度为hh ；区域4为介质基底层；区域5为包层。图2是实例1、2所述表面等离子激元光波导的结构图。201为金属基底层，nm为其折射率，Wffl为其宽度，hm为其高度；202为低折射率介质区，H1为其折射率，W1为其宽度， hx为其高度；203为高射率介质区，nh为其折射率，W为其宽度，hh为其高度；204为介质基底层，ns为其折射率；205为包层，nc为其折射率。图3是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例1所述表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度分布曲线。其中，图3(a)为电场强度Y分量沿X轴方向的分布曲线，图3 (b)为电场强度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. 55 μ m时实例1所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的有效折射率随宽度W1的变化曲线。图5是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例1所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的传输距离随宽度W1的变化曲线。图6是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例1所述表面等离子激元光波导内传输
4的表面等离体激元模式的归一化有效模场面积随宽度W1的变化曲线图7是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例2所述表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度分布曲线。其中，图7(a)为电场强度Y分量沿X轴方向的分布曲线，图7 (b)为电场强度Y分量沿Y轴方向的分布曲线。图8是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例2所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的有效折射率随宽度W1的变化曲线。图9是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例2所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的传输距离随宽度W1的变化曲线。图10是传输光信号的波长为1.55 μ m时实例2所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的归一化有效模场面积随宽度W1的变化曲线
具体实施例方式表面等离子波的模式特性是表征表面等离子激元光波导的重要指标。其中模式特性参数主要包括有效折射率实部、传输距离和归一化有效模场面积。传输距离L定义为任一界面上电场强度衰减为起始值Ι/e时的距离，其表达式为L=入/TWlm (neff)](1)其中Im(nrff)为模式有效折射率的虚部，λ为传输光信号的波长。有效模场面积的计算表达式如下Aeff = ( f f E (x, y) 2dxdy)2/ f f E (χ, y) |4dxdy (2)其中，Arff为有效模场面积，E(x，y)为表面等离子波的电场。归一化有效模场面积为(2)式计算得到的有效模场面积与衍射极限小孔面积之比。衍射极限小孔的面积定义如下A0 = λ 2/4(3)其中，Atl为衍射极限小孔面积，λ为传输光信号的波长。因此，归一化有效模场面积A为A = AeffAtl(4)归一化有效模场面积的大小表征模式的模场限制能力，该值小于1的情形对应亚波长的尺寸约束。实例1 高、低折射率介质区域的材料折射率相差较大的光波导结构图2是实例1所述表面等离子激元光波导的结构图。201为金属基底层，nm为其折射率，Wffl为其宽度，hm为其高度；202为低折射率介质区，H1为其折射率，W1为其宽度，hx 为其高度；203为高射率介质区，nh为其折射率，W为其宽度，hh为其高度；204为介质基底层，ns为其折射率；205为包层，nc为其折射率。在本实例中，传输的光信号的波长选定为1. 55 μ m，201的材料为银，在1. 55 μ m波长处的折射率为0. 1453+i*ll. 3587 ；202和205的材料设为空气，其折射率为1 ；203的材料设为硅，其折射率为3. 5 ；204的材料设为二氧化硅，其折射率为1. 5。在本实例中，201的宽度 Wm = 300nm，高度 hm = IOOnm ；202 的高度 Ii1 = 50nm ；203 的宽度W = 300nm,高度hh = 300nm ；202的宽度W1的取值范围为50_250nm。
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 μ m波长处表面等离子激元模式的模场分布及模式特性。图3是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例1所述表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度分布曲线，其中202的宽度W1 = lOOnm。其中，图3(a)为电场强度Y分量沿X轴方向的分布曲线，图3 (b)为电场强度Y分量沿Y轴方向的分布曲线。 由图3可见，所述表面等离子激元光波导光场的电场强度曲线在低折射率介质区域内有明显的场增强效应。图4是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的有效折射率随宽度W1的变化曲线。由图4可见，所述光波导的表面等离子激元模式的有效折射率随宽度W1增大而减小。图5是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的传输距离随宽度W1的变化曲线。由图5可见，所述光波导的表面等离子激元模式的传输距离介于21 65微米之间，且随宽度W1增大而增大。相同条件下用高折射率介质替换低折射率介质(对应W = 300nm, hh = 300nm, W1 = hx = 0，其它参数保持不变)，得到的传统高折射率表面等离子激元光波导模式的传输距离为18微米。可知，所述光波导具有更低的传输损耗。图6是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的归一化有效模场面积随宽度W1的变化曲线。由图6可见，所述光波导的表面等离子激元模式的模场面积随宽度W1增大而减小，同时由图可知归一化有效模场面积仍然很小，且远小于1，说明所述光波导具有亚波长的模场限制能力。实例2 高、低折射率介质区域的材料折射率相差较小的光波导结构实例2所述表面等离子激元光波导的结构图见图2。201为金属基底层，nm为其折射率，Wffl为其宽度，hm为其高度；202为低折射率介质区，H1为其折射率，W1为其宽度，hx为其高度；203为高射率介质区，nh为其折射率，W为其宽度，hh为其高度；204为介质基底层， ns为其折射率；205为包层，nc为其折射率。在本实例中，传输的光信号的波长选定为1. 55 μ m，201的材料为银，在1. 55 μ m波长处的折射率为0. 1453+i*ll. 3587 ；202的材料设为氮化硅，其折射率为2 ；203的材料设为硅，其折射率为3. 5 ；204的材料设为二氧化硅，其折射率为1. 5 ；205的材料设为空气，其折射率为1。在本实例中，201的宽度 Wm = 300nm,高度 hm = IOOnm ；202 的高度 Ii1 = 50nm ；203 的宽度W = 300nm,高度hh = 300nm ；202的宽度W1的取值范围为50_250nm。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 μ m波长处表面等离子激元模式的模场分布及模式特性。图7是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例所述表面等离子激元光波导的表面等离子激元模式光场的电场强度分布曲线，其中202的宽度W1 = lOOnm。其中，图7(a)为电场强度Y分量沿X轴方向的分布曲线，图7 (b)为电场强度Y分量沿Y轴方向的分布曲线。 由图7可见，所述表面等离子激元光波导光场的电场强度曲线在低折射率介质区域内有明显的场增强效应。图8是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的有效折射率随宽度W1的变化曲线。由图8可见，所述光波导的表面等离子激元模式的有效折射率随宽度W1增大而减小。图9是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的传输距离随宽度W1的变化曲线。由图9可见，所述光波导的表面等离子激元模式的传输距离介于20 41微米之间，且随宽度W1增大而减小。相同条件下用高折射率介质替换低折射率介质(对应Wh = 300nm, hh = 300nm, W1 = hx = 0，其它参数保持不变)，得到的传统高折射率表面等离子激元光波导模式的传输距离为18微米。可知，所述光波导具有更低的传输损耗。图10是传输光信号的波长为1.55 μ m时实例所述表面等离子激元光波导内传输的表面等离体激元模式的归一化有效模场面积随宽度W1的变化曲线。由图10可见，所述光波导的表面等离子激元模式的模场面积随宽度W1增大而减小。同时由图可知归一化有效模场面积仍然很小，且远小于1，说明所述光波导具有亚波长的模场限制能力。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、低折射率介质区域可以采用折射率相差较大的材料实现，也可以采用折射率相差较小的材料实现。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。
权利要求
1.一种同时具备低传输损耗和强场约束能力的表面等离子激元光波导结构，其横截面包括介质基底层、位于介质基底层上的高折射率介质区域、高折射率介质区域上方的金属层、被高折射率介质区域和金属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，低折射率介质区域上方与金属层下方相接，且低折射率介质区域的宽度范围为高折射率介质区域宽度的0. 15-0. 9倍，其高度范围为高折射率介质区域宽度的 0. 15-0. 9倍，金属层的宽度大于低折射率介质区域的宽度且不大于高折射率介质区域的宽度；高折射率介质的材料折射率高于介质基底层、低折射率介质区域、以及包层的材料折射率，介质基底层的材料折射率大于1. 4，介质基底层、低折射率介质区域和包层的材料可为相同材料或不同材料，介质基底层、低折射率介质区域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。
2.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、或是上述金属构成的复合材料。
3.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。
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。
全文摘要
本发明公开了一种具有低传输损耗的表面等离子激元光波导，该波导结构的横截面包括介质基底层(4)、位于介质基底层上的高折射率介质区域(3)、位于高折射率介质区域上的金属层(1)、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(2)以及包层(5)。金属层下方的高折射率介质区域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；同时低折射率介质区域的存在，使得该波导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，为超高集成度光波导芯片的实现提供可能。
文档编号G02B6/122GK102169206SQ20111010830
公开日2011年8月31日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者刘娅, 卞宇生, 苏亚林, 郑铮 申请人:北京航空航天大学