一种低损耗的拱柱芯微纳波导制造技术

本发明专利技术公开了一种低损耗的拱柱芯微纳波导，包括衬底；所述衬底的顶部两侧设置有支撑层；所述支撑层的顶部设置有金属层；两侧支撑层之间设置有高折射率层；所述高折射率层为拱柱状结构；所述高折射率层周围的空气构成低折射率区域。该拱柱芯微纳波导可将光场限制在中间层的低折射率介质区域中，整个波导结构同时具有较强的模式限制能力和较长的传输距离。该混合等离激元波导结构简单，结构集成度高且容易制备，为实现更高集成度的光子器件提供了可能。

【技术实现步骤摘要】
一种低损耗的拱柱芯微纳波导
本专利技术属于集成光子器件领域，具体涉及一种低损耗的拱柱芯微纳波导。
技术介绍
最近几年，因为表面等离激元能够突破衍射极限，在亚波长下实现光的模式局域，纳米尺度下基于表面等离激元的光波导器件已经被广泛的研究。然而金属带来的损耗导致波导模式的传播距离很小，限制了表面等离激元波导及波导型器件的应用。因此能有效降低损耗和增大传输距离的混合等离激元波导结构被提出。混合等离激元波导(hybridplasmonicwaveguide,HPWs)的关键点就是在金属和高折射率介质间引入了低折射率间隙，实现了光的强束缚效果以及实现了相对长的传输距离。在传输距离和模式局域两方面混合等离激元波导展示出了一个很好的权衡，这种结构增加了表面等离激元在高集成光子器件方面的应用潜力。但是传统的混合等离激元波导的传输距离只有几十到几百微米。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种低损耗的拱柱芯微纳波导，以解决现有技术中存在的传输距离过短的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种低损耗的拱柱芯微纳波导，包括衬底；所述衬底的顶部两侧设置有支撑层；所述支撑层的顶部设置有金属层；两侧支撑层之间设置有高折射率层；所述高折射率层为拱柱状结构；所述高折射率层周围的空气构成低折射率区域。进一步的，所述金属层的材料为Ag；所述支撑层的材料为ZnO；所述高折射率层的材料为Si；所述衬底的材料为SiO2。进一步的，所述支撑层和金属层之间还设置有固定层。进一步的，所述固定层的材料为Si3N4。进一步的，所述高折射率层的顶部和固定层之间的间隙为50nm。进一步的，所述高折射率层的折射率为3.478。进一步的，所述拱柱状结构的宽度为300-600nm，拱柱状结构的矩形部分高度为100-250nm。进一步的，所述金属层的宽度为4000nm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术将高折射率层设计成拱柱状，大大减小了金属层带来的损耗，当光垂直进入结构时，光场被很好的限制在了中间的低折射率空气层，不仅可实现优秀的模式限制能力，而且具有低损耗较长传输距离的特性；（2）本专利技术结构简单设计，材料获取容易，制备易实现。附图说明图1为实施例低损耗的拱柱芯微纳波导结构xy截面示意图；图2为实施例λ=1550nm时，波导宽度与模式面积变化关系图；图3为实施例λ=1550nm时，波导宽度与传输距离变化关系图；图4为实施例λ=1550nm时，波导宽度与品质因数变化关系图。附图标记：1-衬底；2-高折射率层；3-支撑层；4-固定层；5-金属层。具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效通俗易懂，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。如图1所示，一种低损耗的拱柱芯微纳波导，包括SiO2材料的衬底1、衬底1的顶部两侧设置有支撑层3，支撑层3的顶部设置有固定层4，固定层4的顶部设置有金属层5，两侧支撑层3之间设置有高折射率层2。高折射率层2周围的空气构成低折射率区域。高折射率层2为拱柱状结构。金属层5的材料为Ag，固定层4的材料为Si3N4，支撑层3的材料为ZnO，高折射率层2的材料为Si。拱柱状结构的宽度为300-600nm，拱柱状结构的矩形部分高度为100-250nm。拱柱状结构的顶部和固定层之间的间隙为50nm，金属层的宽度为4000nm。高折射率层的折射率为3.478。该拱柱芯微纳波导以SiO2为衬底，于中间放置拱柱状的Si材料高折射率层，上层的低折射率层则是由空气构成，于衬底1两侧分别放置一支支撑层3，支撑起金属层，在金属层下方填充一固定层以维持金属层。对应的高折射率层层宽度为w，高度为h4+R，其中位于高折射率介质拱柱顶和固定层之间的低折射率介质空气层的高度为h3-(h4+R)。本实施例中的高折射率层、低折射率层和金属层的材料为Si、空气和Ag，其中Si的折射率为3.478，空气折射率为1。对于1550nm波长光入射下，所对应金属银的折射率为0.145+11.438i。图2为实施例λ=1550nm时，不同Si宽度和模式面积关系图。其中拱柱顶和固定层之间的间隙为50nm。由图可见，在1550nm波长光入射下，TM模和TE模的模式面积都维持在0.014-0.018之间，具有超高的光场局域能力。图3为实施例λ=1550nm时，不同Si宽度和传输距离关系图。由图可见，在1550nm波长光入射下，TM模式下，传输距离随着Si宽度的增加而增加，最高可达7700μm。TE模式下，传输距离同样随着Si宽度的增加而增加，最高可达3100μm。TM和TE模式下的传输距离达到了毫米量级，比传统的混合等离激元波导的传输距离增加了两个量级。因此可以在此基础上选择不同的宽度满足更多的实用性需求。图4为实施例λ=1550nm时，波导宽度与品质因数变化关系图。由图可见，品质因数随波导宽度增加而增加，在Wsi=100nm时，FOM值为5600，但当Wsi=600nm时，FOM值最高可达41300，表明本低损耗拱柱芯微纳波导性能非常优越，既能把光场限制在较小区域内又能保持较长传输距离。本专利技术将高折射率层设计成拱柱状，大大减小了金属层带来的损耗。当光垂直进入结构时，光场被很好的限制在了中间的低折射率空气层，不仅可实现优秀的模式限制能力，而且具有低损耗较长传输距离的特性。此波导对实现更高集成度的光子器件具有十分重要的意义。本专利技术可以实现在不激发传统模式波导的前提下，只激发TM的混合等离激元模式，突破现有结构的局限性；通过材料的适当选择和和结构尺寸的合理设计，能保持较低的损耗具有更长的传输距离；本专利技术结构紧凑，因此便于光子集成，可应用于超高密度集成光路，易应用于高集成度的光波导芯片中。模式有效折射率的实部代表混合等离激元波导中的折射率，而虚部大小决定了混合模式在波导中传输时传输损耗的大小。由技术常识可知，本专利技术可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本专利技术范围内或在等同于本专利技术内的改变均被本专利技术包含。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种低损耗的拱柱芯微纳波导，其特征在于，包括衬底；所述衬底的顶部两侧设置有支撑层；所述支撑层的顶部设置有金属层；两侧支撑层之间设置有高折射率层；所述高折射率层为拱柱状结构；所述高折射率层周围的空气构成低折射率区域。/n

【技术特征摘要】
1.一种低损耗的拱柱芯微纳波导，其特征在于，包括衬底；所述衬底的顶部两侧设置有支撑层；所述支撑层的顶部设置有金属层；两侧支撑层之间设置有高折射率层；所述高折射率层为拱柱状结构；所述高折射率层周围的空气构成低折射率区域。


2.根据权利要求1所述的一种低损耗的拱柱芯微纳波导，其特征在于，所述金属层的材料为Ag；所述支撑层的材料为ZnO；所述高折射率层的材料为Si；所述衬底的材料为SiO2。


3.根据权利要求1所述的一种低损耗的拱柱芯微纳波导，其特征在于，所述支撑层和金属层之间还设置有固定层。


4.根据权利要求3所述的一种低损耗的拱柱芯微纳...

【专利技术属性】
技术研发人员：许吉，周天诺，杨昕泽，程慧超，郭晔翎，谢雨欣，刘宁，陆云清，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32