本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光波导
，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。
技术介绍
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。本专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术的表面等离子激元光波导具有以下优点本专利技术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。附图说明图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 (本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：郑铮，卞宇生，赵欣，苏亚林，刘磊，刘建胜，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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