[发明专利]混合三臂长程表面等离子波导和介质波导耦合器

说明书

技术领域

本发明属于集成光电子技术领域，特别涉及在光子集成、传感等领域应用的一种混合三臂长程表面等离子波导和介质波导耦合器。

背景技术

表面等离子波(Surface plasmon polariton(SPP))，图1是一种沿金属和介质界面传播的电磁场，图中，1为金属(或金属和介质的混合物)，2为金属周围介质，3为一个界面处的表面等离子体波，4为薄金属时上下表面耦合出长程表面等离子体波，5为薄金属时上下表面耦合出短程表面等离子体波。

在介质中，电磁场的振幅随着离开界面的距离指数衰减。SPP是一种表面波，它的场能量集中在金属1和介质界面2的附近。当金属膜较薄时，上下表面SPP发生耦合，产生出一种传播损耗较低的模式，即长程表面等离子体波3(LongRange Surface plasmon polariton(LRSPP))。当金属膜变为金属条时，LRSPP将在两个方向上受到限制，沿条的长度方向传播，从而形成一种区别于传统介质波导的新型长程表面等离子体波导(LRSPP波导，即薄的金属条)。若将LRSPP波导和介质波导放在一起，在满足一定的条件下，普通介质波导模式和LRSPP将发生耦合。此种新型的混合耦合器由于其具有一些独特的性能，将在集成光子器件，光通信，光传感方面有着广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提出了一种混合三臂长程表面等离子波导和介质波导耦合器，其特征在于，所述混合三臂长程表面等离子波导和介质波导耦合器是在周围介质材料基体上由金属条和介质条构成的三个臂组成，其中有一个或者两个臂为金属条，而其余两个臂或一个臂为介质条。

所述三个臂中有一个或者两个臂还为金属陶瓷条，而其余两个臂或一个臂为介质条。

所述三个臂的摆放结构为(1)三个臂平行放置在一个水平平面内的水平结构；(2)三个臂平行放置在一个垂直平面内的垂直结构；或是(3)水平和垂直的组合结构。

所述三个臂的臂间距相等或不等。

所述金属条为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同金属层复合的金属层。

所述周围介质材料基体和介质条的材料选用树脂材料，SiO₂、SiO、MgF、Al₂O₃、Si、GaAs或InP。

所述金属条的宽度为10nm～40μm，厚度为5nm～500nm；所述介质条尺寸范围和金属条相同，其折射率为1.2～3.8；混合耦合器周围的介质折射率比介质条的折射率低。

所述三个臂中传输波的模式是TM偏振和TE偏振模式。

所述金属条的LRSPP波导(长程表面等离子体波导)传导的是TM偏振模式，所以介质波导模式和LRSPP波导的能量耦合只限于TM偏振，而对于从介质条输入TE偏振波，仍沿该介质条传输，不会耦合到其他臂。

所述介质波导模式和LRSPP波导模式将发生相互转化，能量将在三个臂之间发生转移。

所述介质波导TM模式(非TE模式)和LRSPP模式将发生相互转化，从而可以实现TM/TE的偏振光分束器。

所述三个臂中有一个或者两个臂为可通电的金属条，而其余两个臂或一个臂为介质条，介质波导模式和LRSPP模式将发生相互转化，对金属条通电可以改变三个臂间能量的耦合，从而实现电控的耦合器。

本发明的有益效果是该耦合器实现了由普通TM偏振介质波导模式和LRSPP模式的相互转化，从而实现了一种新型的集成LRSPP激励方式；由于耦合仅发生在TM偏振模式，因此，可实现新型的偏振光分束器；又由于金属条可以看作是电导线，这样就可以通过电控来实现光在输出端的控制；此外，输出端各个臂的功率和上层介质折射率有关，因此，可能实现一种可集成的、高灵敏度的折射率传感器。

由于本发明是由LRSPP波导和介质波导组成的三个臂的混合耦合器，因此既能作为TE/TM光的偏振分束器件和LRSPP的激励器件，又能通过加电来灵活地控制能量在不同臂之间的耦合，还可以作为折射率探测器。因此，这种新型的混合耦合器将在集成光子器件，光通信，光传感方面有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为表面等离子体波的概念图：1.金属(或金属和介质的混合物)，2.金属周围介质，3.一个界面处的表面等离子体波，4.薄金属时上下表面耦合出长程表面等离子体波，5.薄金属时上下表面耦合出短程表面等离子体波。

图2为三臂混合耦合器结构：

第一个数字代表结构类型：1表示水平结构，2表示垂直结构，3表示水平和垂直结构的结合