专利名称：一种基于双层金属的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，具体涉及一种基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导。
背景技术：
表面等离子激元光波导技术目前已成为纳米光子学的热点研究领域之一。表面等离子激元是金属表面自由电子与入射光子相互耦合形成的非辐射电磁模式，它是局域在金属和介质表面传播的一种混合激发态。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。表面等离子激元波导可以突破衍射极限的限制，将光场约束在几十纳米甚至更小的范围内，并产生显著的场增强效应。目前表面等离子激元光波导正以其独特的模场限制能力以及可以同时传输光电讯号、可调控等独特的优势在纳米光子学领域显示出巨大的潜力，并已在纳米光子芯片、调制器、耦合器和开关、纳米激光器、突破衍射极限的超分辨成像以及生物传感器等方面有着重要的应用前景。传统的表面等离子激元光波导结构主要分为介质/金属/介质型波导和金属/介质/金属型波导。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。本发明则提出了一种低损耗的金属/介质/金属型表面等离子激元光波导结构。 传统金属/介质/金属型波导中采用单一均勻的介质层，而所提波导中的介质层则由高、低折射率介质材料所组成。整个波导的设计借鉴了混合波导的概念，高折射率介质与金属层之间利用低折射率介质作为缓冲层来填充。该波导保持了金属/介质/金属型结构的强模场限制能力，同时混合波导设计思想有利于进一步降低损耗。所提波导结构与平面加工工艺相匹配，可作为构建集成光子器件和光子芯片的基础元件。
发明内容
本发明的目的是进一步降低传统金属/介质/金属型波导的传输损耗，提出一种基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导结构。本发明提供了一种基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导，其横截面包括基底层、位于基底层上的金属层、位于金属层上的低折射率介质层、嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域、位于低折射率介质层上的金属层以及包层；其中，位于基底层上的金属层、低折射率介质层以及位于低折射率介质层上的金属层的宽度相等且为所传输的光信号的波长的0. 09-0. 5倍，位于基底层上的金属层的高度和位于低折射率介质层上的金属层的高度为所传输的光信号的波长的0. 006-0. 13倍；低折射率介质层的高度为所传输的光信号的波长的0. 009-0. 3倍；嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的宽度为所传输的光信号的波长的0. 03-0. 5倍，且不大于低折射率介质层的宽度，高度为所传输的光信号的波长的0. 003-0. 29倍，且小于低折射率介质层的高度，高折射率介质区域与位于基底层上的金属层以及位于低折射率介质层上的金属层不相接触；位于基底层上的金属层和位于低折射率介质层上的金属层的材料为相同或不同材料，嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的材料折射率高于低折射率介质层以及包层的材料折射率，低折射率介质层和包层的材料为相同材料或不同材料，低折射率介质层和包层的材料折射率的最大值与嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的材料折射率的最小值的比值小于0. 75 ；所述结构中位于基底层上的金属层、低折射率介质层以及位于低折射率介质层上的金属层的截面的形状为矩形。所述光波导结构中的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。所述光波导结构中嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的截面的形状为矩形、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本发明所设计的表面等离子激元光波导比传统金属/介质/金属型波导具备更低的传输损耗，且保持了亚波长的模场限制能力。该波导结构中所包含的基底层上的金属层的存在，为引入外电极提供了便利，从而使光信号和电信号的同时传导成为可能，同时电信号的引入可以实现对波导特性的调控。该波导基于的是多层平面结构，易用现有的平板波导加工工艺实现，并可进一步用于集成光子器件的设计和制作。
图1是基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导的结构示意图。区域1为基底层，区域2为金属层，其高度为1 ；区域3为低折射率介质层，其高度为h3 ；区域4为嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域，其宽度为《4，高度为h4 ；区域5为位于低折射率介质层上的金属层，其高度为h5 ；区域2、3、5的宽度为w ；区域4的下表面到区域2上表面的最小距离为h42，区域4的上表面到区域5下表面的距离为h45 ；区域6为包层。图2是实例1所述基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导的结构示意图。 201为基底层，ns为其折射率；202为金属层，nm为其折射率，hm为其高度；203为低折射率介质层A1为其折射率，Ii1为其高度；204为嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域，nh 为其折射率，I为其宽度，hh为其高度；205为位于低折射率介质层上的金属层，nm为其折射率，&为其高度；202、203以及205的宽度为w ;204的下表面到202上表面的最小距离为 hg，204的上表面到205下表面的距离为hg ；206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所述基于双层金属的低损耗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图。图4是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例1所述基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离、归一化有效模场面积以及限制因子随高折射率介质区域宽度I的变化曲线。
图5是实例2所述基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导的结构示意图。 501为基底层，ns为其折射率；502为金属层，nm为其折射率，hm为其高度；503为低折射率介质层A1为其折射率，Ii1为其高度；504为嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域，nh 为其折射率，hh为其高度；505为位于低折射率介质层上的金属层，nm为其折射率，hm为其高度；502、503、504以及505的宽度均为w ；504的下表面到502上表面的最小距离为hg，504 的上表面到505下表面的距离为hg ；506为包层，nc为其折射率。图6是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例2所述基于双层金属的低损耗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图。图7是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例2所述基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离、归一化有效模场面积以及限制因子随高度hh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 = Aeff/A0(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。限制因子表征表面等离子激元光波导的场强限制能力，在此定义为低折射率介质层中所含功率占波导总功率的比例。实例1 嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域宽度小于低折射率介质层的宽度图2是实例1所述基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导的结构示意图。 201为基底层，ns为其折射率；202为金属层，nm为其折射率，hm为其高度；203为低折射率介质层A1为其折射率，Ii1为其高度；204为嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域，nh 为其折射率，I为其宽度，hh为其高度；205为位于低折射率介质层上的金属层，nm为其折射率，&为其高度；202、203以及205的宽度为w ;204的下表面到202上表面的最小距离为 hg，204的上表面到205下表面的距离为hg ；206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和203的材料为二氧化硅， 其折射率为1. 5 ；202和205的材料为银，在1. 55 μ m波长处的折射率为0. 1453+i*l 1. 3587 ； 204的材料为硅，其折射率为3. 5 ；206的材料设为空气，其折射率为1。在本实例中，202、203以及205的宽度w = 200nm，202和205的高度hm = IOOnm ； 203的高度Ii1 = 220nm ；204的高度hh = 200nm ；距离hg = IOnm ；204的宽度％的取值范围为 40-160nm。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波长处该波导所支持的准对称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所述基于双层金属的低损耗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图。由图3可见，该模式在低折射率介质层尤其是高折射率介质区域和金属层之间的狭缝区域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1所述基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离、归一化有效模场面积以及限制因子随高折射率介质区域宽度I的变化曲线。由图4(a)_(d)可见，表面等离子激元模式的有效折射率随Wm增大而增大，而传输距离、模场面积和限制因子均随Wm增大而减小。在整个范围内，模式的传输距离始终保持在数十微米，且保持深亚波长的模场面积。同时限制因子的计算结果表明有相当大的光能量被限制到低折射率介质层中。实例2 嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域宽度与低折射率介质层的宽度相等图5是实例2所述基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导的结构示意图。 501为基底层，ns为其折射率；502为金属层，nm为其折射率，hm为其高度；503为低折射率介质层A1为其折射率，Ii1为其高度；504为嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域，nh 为其折射率，hh为其高度；505为位于低折射率介质层上的金属层，nm为其折射率，hm为其高度；502、503、504以及505的宽度均为w ；504的下表面到502上表面的最小距离为hg，504 的上表面到505下表面的距离为hg ；506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，501和503的材料为二氧化硅， 其折射率为1. 5 ；504的材料为银，在1. 55 μ m波长处的折射率为0. 1453+i*ll. 3587 ；502和 505的材料为硅，其折射率为3. 5 ；506的材料设为空气，其折射率为1。在本实例中，502、503、504以及505的宽度w = 200nm ；502和505的高度hm = IOOnm ；距离hg = IOnm ；504的高度hh的取值范围为100_400nm ；相应地，503的高度Ii1的取值范围为120-420nm。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波长处该波导所支持的准对称表面等离子激元模式的模场分布及模式特性。图6是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例2所述基于双层金属的低损耗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图。由图6可见，该模式在高折射率介质区域以及其上下的低折射率介质层附近有明显的场增强效应。图7是传输光信号的波长为1. 55 μ m时实例2所述基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导内传输的表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离、归一化有效模场面积以及限制因子随高度hh的变化曲线。由图7(a)_(d)可见，表面等离子激元模式的有效折射率、传输距离和模场面积均随高度hh增大而增大，而限制因子则随高度hh增大而减小。 在整个范围内，模式的传输距离始终保持在数十微米，且保持深亚波长的模场限制能力。限制因子的减小是由于随着高度hh的增大会导致更多比例的模场被限制到高折射率介质区域中，而低折射率介质层中的能量比例会相应地减少。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嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的宽度可小于低折射率介质层的宽度也可与之相等。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
1.一种基于双层金属的低损耗表面等离子激元光波导，其横截面包括基底层、位于基底层上的金属层、位于金属层上的低折射率介质层、嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域、位于低折射率介质层上的金属层以及包层；其中，位于基底层上的金属层、低折射率介质层以及位于低折射率介质层上的金属层的宽度相等且为所传输的光信号的波长的 0. 09-0. 5倍，位于基底层上的金属层的高度和位于低折射率介质层上的金属层的高度为所传输的光信号的波长的0. 006-0. 13倍；低折射率介质层的高度为所传输的光信号的波长的0. 009-0. 3倍；嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的宽度为所传输的光信号的波长的0. 03-0. 5倍，且不大于低折射率介质层的宽度，高度为所传输的光信号的波长的 0. 003-0. 29倍，且小于低折射率介质层的高度，高折射率介质区域与位于基底层上的金属层以及位于低折射率介质层上的金属层不相接触；位于基底层上的金属层和位于低折射率介质层上的金属层的材料为相同或不同材料，嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的材料折射率高于低折射率介质层以及包层的材料折射率，低折射率介质层和包层的材料为相同材料或不同材料，低折射率介质层和包层的材料折射率的最大值与嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的材料折射率的最小值的比值小于0. 75;所述结构中位于基底层上的金属层、低折射率介质层以及位于低折射率介质层上的金属层的截面的形状为矩形。
2.根据权利要求1所述的光波导结构，其特征在于，所述结构中的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，所述结构中嵌于低折射率介质层中的高折射率介质区域的截面的形状为矩形、圆形、椭圆形或梯形中的任何一种。
全文摘要
本发明公开了一种基于双层金属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基底层(1)、位于基底层上的金属层(2)、位于金属层(2)上的低折射率介质层(3)、嵌于低折射率介质层(3)中的高折射率介质区域(4)、位于低折射率介质层(4)上的金属层(5)以及包层(6)。高折射率介质区域(4)与其邻近的两个金属层(2、5)之间的耦合使得光场能被显著地限制在低折射率介质层(3)和高折射率介质区域(4)中，同时较低的传输损耗。所述光波导与现有加工工艺相匹配，可用于构建各类无源光子器件，此外，波导中基底层上金属层的存在使得其与外电极的连接成为可能，因而可应用于电光、热光调制等诸多领域。
文档编号G02B6/122GK102565938SQ20121005713
公开日2012年7月11日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者刘建胜, 刘磊, 卞宇生, 苏亚林, 赵欣, 郑铮 申请人:北京航空航天大学