一种强局域、低损耗的杂化表面等离子体波导的制作方法

本发明涉及光子集成领域，具体为一种表面等离子体波导器件。

背景技术

表面等离子体激元（surfaceplasmonpolaritons，spps）是在金属表面存在的自由振动的电子与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电磁波。表面等离子体激元（spps）是目前可以突破光的衍射极限来实现在纳米尺度上对光操纵的新型量子态，为实现纳米全光集成带来了曙光。表面等离子体在制作亚波长量级的光子器件上也显示出了很大的潜力，如波导、反射镜、分束器和滤波器等等一系列光学器件，这些器件可做为纳米全光回路的基本单元，为纳米全光集成奠定了基石。本发明主要研究用于引导电磁波传播的spps波导。众所周知，波导是实现纳米光子回路的基础。

spps场分布局域在沿着界面方向，这个局域的电磁波在传播过程中由于金属的欧姆损耗，所以传输距离有限。因为金属损耗是固有存在的，所以我们只能优化波导的结构、尺寸、介质层材料的选择，以此提升波导的传输距离。传统的波导结构如金属条形波导、金属纳米圆柱波导，金属v型槽、介质加载型等在纵向上对模式场的限域性较弱。而金属-介质-金属波导虽然具有高度局域电磁场的特性，但是由两层金属层引起的损耗较大。近年来，zhang提出了一种新型的杂化spps波导[zhangy,zhangz.ultra-subwavelengthandlowlossinv-shapedhybridplasmonicwaveguide.plasmonics,2016,12(1):1-5]，该波导是在硅衬底上方将v型银嵌入在低折射率介质层，该半导体衬底可以将光限制在v型银底部，但支持的spps的最大传输距离还是很有限，且这种形状不易加工。

技术实现要素：

针对以上不足，本发明的目的是提出一种强局域、低损耗、长距离传输的表面等离子体波导。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是：一种强局域、低损耗的杂化表面等离子体波导，从上到下依次由高折射率介质覆盖层、低折射率介质覆盖层、金属条层和衬底组成，所述金属条层为两块，所述低折射率介质覆盖层为t形，所述低折射率介质覆盖层包括第一低折射率介质覆盖层和第二低折射率介质覆盖层，所述第二低折射率介质覆盖层的两侧分别与所述金属条层贴合，所述第一低折射率介质覆盖层上方与所述高折射率介质覆盖层贴合，所述金属条层、所述第二低折射率介质覆盖层下方与所述衬底贴合。

优选的，所述高折射率介质覆盖层的折射率与所述低折射率介质覆盖层的折射率满足关系：；所述高折射率介质覆盖层的高度与所述低折射率介质覆盖层的高度满足关系：，用来将spps模式有效限制在与低折射率覆盖层折射率相同的金属狭缝中。在工作波长范围内，总有一个有效波导模式是完全被约束于金属块之间的低折射率介质区间内。

优选的，所述高折射率介质覆盖层、所述低折射率介质覆盖层、所述金属条层和所述衬底的宽度。经过实验发现，如果小于200nm时，无法在金属条与介质层表面产生表面等离子体激元，从而无法将有效模式场约束在狭缝中。

优选的，所述第二低折射率介质覆盖层的宽度和高度的取值范围均为20~100nm；所述衬底的折射率取值范围为1.2-1.5。

优选的，所述第二低折射率介质覆盖层的宽度50nm，所述第二低折射率介质覆盖层的高度取值60nm。

优选的，所述金属条层为银或铜；所述衬底为石英且折射率为1.45；所述低折射率介质覆盖层为二氧化硅且其折射率为1.44；所述高折射率介质覆盖层为硅且其折射率为3.48；所述高折射率介质覆盖层、所述低折射率介质覆盖层、所述金属条层和所述衬底的宽度=300nm，所述高折射率介质覆盖层层的高度d1=200nm，所述低折射率介质覆盖层（2）的高度d2=100nm；工作波长为1550nm。

本发明的有益效果：（1）该波导采用两个金属条层夹住第二低折射率介质覆盖层的设计方式，可将波导的电场能量限制在介质条中并形成耦合以增强电场大小，低折射率介质覆盖层可形成较小的泄露损耗且避免能量分布在金属中形成的欧姆损耗，从而在亚波长区间内实现spps的长程传输的目的。（2）采用折射率较大的材料覆盖折射率较小的介质层形成杂化波导思想，可使得spps电场能量更有效限制在低折射率介质条中，实现spps模式的低损耗传输。（3）本发明结构依据波导制备特点和要求，仅采用两种不同折射率材料组成，综合利用杂化结构和能量耦合的优势，实现了亚波长范围内对spps基模的有效约束和长距离传输。

附图说明

图1为杂化波导的横截面结构示意图。

图2为所述杂化表面等离子体波导基模模场分布图和归一化能量分布图。

图3为金属条层之间的第二低折射率介质覆盖层的宽度与高度相同时，spps波导的传输距离和有效模式面积随低折射率介质块的宽度的变化关系图。

图4为将设置为50nm时，spps波导的有效折射率实部随参数变化的依赖关系图。

图5为将设置为50nm时，spps波导的传输距离和有效模式面积随参数变化的依赖关系图。

图6为将设置为50nm时，波导基模的电场分布随的变化图。

图7为将设置为50nm时，spps波导的有效折射率实部随参数变化的依赖关系图。

图8为将设置为50nm时，spps波导的传输距离和有效模式面积随参数变化的依赖关系图。

图9为将设置为50nm时，波导基模的电场分布随的变化图。

图中：1.高折射率介质覆盖层；2.低折射率介质覆盖层；2-1.第一低折射率介质覆盖层；2-2.第二低折射率介质覆盖层；3.金属条层；4.衬底。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1给出本发明的一种实施例的横截面示意图。该杂化表面等离子体波导从上到下由高折射率介质覆盖层1、低折射率介质覆盖层2、金属条层3以及衬底4组成。金属条层3为两块，低折射率介质覆盖层2为t形，低折射率介质覆盖层2包括第一低折射率介质覆盖层2-1和第二低折射率介质覆盖层2-2，第二低折射率介质覆盖层2-2的两侧分别与所述金属条层3贴合，第一低折射率介质覆盖层2-1上方与高折射率介质覆盖层1贴合，金属条层3、第二低折射率介质覆盖层2-2下方与衬底4贴合。对称的金属条层3与插在金属狭缝之间的第二低折射率介质覆盖层2-2组合是为了利用表面等离子体耦合以增强spps电场、将更多的模场从金属区间牵引出来而限制在介质中以减小欧姆损耗。

所述高折射率介质覆盖层的折射率与所述低折射率介质覆盖层的折射率满足关系：；所述高折射率介质覆盖层的高度与所述低折射率介质覆盖层的高度满足关系：，用来将spps模式有效限制在与低折射率覆盖层折射率相同的金属狭缝中。在工作波长范围内，总有一个有效波导模式是完全被约束于金属块之间的第二低折射率介质覆盖层2-2区间内。图2的波导能量分布证明此结构可以实现spps能量高度限制在亚波长区域。我们进一步优化该波导结构。（1）设置夹在金属条层3之间的第二低折射率介质覆盖层2-2的宽度与高度相同，研究结果如图3所示。图3表明宽度与高度均为50nm时，该波导对spps在高局域限制下能实现较长距离传输。

（2）设置夹在金属条层3之间的第二低折射率介质覆盖层2-2的高度为50nm，研究spps的传输距离与有效模式面积随介质块宽度变化的影响。图4显示了该波导基模的有效折射率系数随介质条宽度的增加而减小，当第二低折射率介质覆盖层2-2宽度大于50nm时，有效折射率系数趋于饱和。图5显示了该波导基模的传输距离与有效模式面积对介质条宽度依赖关系。结果表明当第二低折射率介质覆盖层2-2宽度为50nm时，该波导的传输距离达到峰值。图6展示了波导能量分布变化随介质块宽度值变化关系，当第二低折射率介质覆盖层2-2宽度大于50nm时，介质块两侧能量无法耦合。

（3）设置夹在金属条层3之间的第二低折射率介质覆盖层2-2的宽度为50nm，研究spps的传输距离与有效模式面积随介质块高度变化的影响。图7显示了该波导基模的有效折射率系数随介质条高度的增加而减小，当第二低折射率介质覆盖层2-2高度大于50nm时，有效折射率系数趋于饱和。图8显示了该波导基模的传输距离与有效模式面积对介质条高度的依赖关系。结果表明当第二低折射率介质覆盖层2-2的高度为60nm时，该波导的传输距离达到峰值。图9展示了波导能量分布变化随介质块高度的变化关系。当第二低折射率介质覆盖层2-2高度小于50nm时，介质条两侧能量场无法耦合。

综上，当第二低折射率介质覆盖层2-2的宽度和高度分别为50、60nm时，所述杂化结构的表面等离子波导的传输效果最佳。与传统的杂化波导模型相比，该模型的传输特性更加优异，无需过多牺牲能量局域能力的同时，可以显著提高表面等离子体的传输距离。

下面以金属条之间所夹的介质条的宽度、高度分别为50、60nm时，工作波长为1550nm为例。

实施例一：杂化波导结构如图1所示。金属材料设置为银，且介电常数为。衬底为石英且折射率为1.45。低折射率介质条与低折射率覆盖层均为二氧化硅，折射率为1.44。高折射率盖层1为硅，折射率为3.48。两者之间满足了折射率差的关系。在=300nm，d1=200nm，d2=100nm时，结果如图8显示，该表面等离子体波导支持spps的传输距离405.31，有效模式面积为0.0135。在相同参数条件下，传统的金属介质金属结构的表面等离子体波导支持的传输距离为23.417，有效模式面积为0.01078。因此，该杂化结构在保持强局域下，传输距离提高了17倍。