[发明专利]一种混合狭缝光波导

说明书

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种混合狭缝光波导。

背景技术

传统的介质光波导通常以高折射率材料作为波导芯，以低折射率材料作为被覆层，光场主要集中在高折射率材料构成的波导芯中传输。由于受衍射极限的影响，其尺寸往往相对较大。于2004年首次提出的介质狭缝光波导则可以实现在纳米级尺寸的低折射率介质中进行光信号的传输，突破了传统光波导尺寸的限制。该类波导由紧邻的高折射率介质区域组成，高折射率介质区域的中间为低折射率介质区。其工作原理是利用在不同介电常数材料界面上电场分量的不连续，且其大小与材料介电系数的平方成反比。利用电场分布的不连续性，低折射率材料中的光场分布密度将大大高于邻近的高折射率区域的电场分布密度，从而实现光场在低折射率材料中的传输和限制。

另一方面，表面等离子激元光波导技术近年来吸引了国内外专家学者的广泛关注，并已成为纳米光子学的新兴研究领域。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、较长的传输距离，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。

混合型波导则是目前表面等离子激元光波导领域的一大研究热点。这类波导所基于的混合概念为传统介质波导与表面等离子激元现象的结合提供了新的途径。介质模式和表面等离子激元模式之间的高效耦合所产生的混合型模式可以将光场约束到高折射率介质层和金属界面之间的低折射率介质狭缝中传输，同时保持较低的传输损耗。这一概念的提出在一定程度上解决了传统表面等离子激元光波导的缺陷，有效地平衡了传输损耗和模场限制能力。

本发明则进一步将这一混合思想应用到介质狭缝波导领域，提出了一种混合狭缝光波导结构。该波导保持了经典混合波导较强的模场束缚特性，同时进一步降低了传输损耗，且其与介质狭缝波导的加工工艺相匹配，可用于构建各类无源及有源光子器件并可在非线性、光调制、光镊等领域中有广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是将混合思想与介质狭缝思想相结合，提出一种混合狭缝光波导结构。

本发明提供了一种混合狭缝光波导，其横截面包括基底层、位于基底层上一种混合狭缝光波导，其横截面包括基底层、位于基底层上的高折射率介质层、位于高折射率介质层上从左到右依次排列的高折射率介质区、包覆有低折射率介质层的金属区和高折射率介质区、以及包层；其中包覆有低折射率介质层的金属区位于两个高折射率介质区之间且与两个高折射率介质区互不接触，金属区的宽度为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍，其高度为所传输的光信号的波长的0.01-0.1倍，金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的宽度为所传输的光信号的波长的0.012-0.126倍，其高度为所传输的光信号的波长的0.012-0.126倍，且金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的宽度和高度分别大于金属区的的宽度和高度；位于基底层上的高折射率介质层的高度为所传输的光信号的波长的0.006-0.06倍；所述结构中位于高折射率介质层上的左、右两个高折射率介质区的宽度为所传输光信号的波长的0.03-0.3倍，高度为所传输的光信号的波长的0.03-0.3倍，且两个高折射率介质区的高度大于金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的高度；左侧的高折射率介质区的右边缘距金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的左边缘的最小宽度为所传输的光信号的波长的0.001-0.03倍，右侧的高折射率介质区的左边缘距金属区和低折射率介质层共同构成的区域的外轮廓的右边缘的最小宽度为所传输的光信号的波长的0.001-0.03倍。

所述混合狭缝光波导结构中金属区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。