[发明专利]一种表面等离子激元狭缝光波导

说明书

技术领域

本发明涉及光波导技术领域，具体涉及一种表面等离子激元狭缝光波导。

背景技术

表面等离子激元是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式。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。

作为目前热门的表面等离子激元的重要研究方向之一，表面等离子激元光子波导技术已经成为国内外专家学者竞相追逐的研究热点。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。

作为经典的表面等离子激元光波导结构之一，金属/介质/金属型波导具有很强的模场限制能力。目前已有的金属/介质/金属型波导主要包括平板金属狭缝波导、U型和V型槽波导等。本发明的波导是在V型槽波导基础的改进。在V型槽内填充介质层，并在其中嵌入一个金属区域，由此形成的新结构可将光场明显地限制在金属区域和金属V型槽之间的狭缝区域中。该波导可以同时对两种模式的光实现很强的模场限制。

发明内容

本发明提供了一种能实现强模场限制的表面等离子激元狭缝光波导结构，其横截面从下到上依次为金属基底、介质区域、嵌于介质区域中的金属区域以及包层；金属基底在与介质区域相接的区域的外轮廓呈“V”字形，且金属基底“V”字形区域的高度范围为所传输光信号的波长的0.12-0.65倍，金属基底“V”字形区域中心的外顶角的角度大于5度且小于180度；介质区域上表面和两侧均与金属基底相接，其上表面与包层相接，介质区域底部中心的内顶角与金属基底“V”字形区域中心的外顶角相等；嵌于介质区域中的金属区域与金属基底不相接触，金属区域的最大宽度为所传输光信号的波长的0.01-2倍，且小于介质区域的最大宽度，金属区域的最大高度为所传输光信号的波长的0.1-0.6倍，且小于介质区域的最大高度；金属基底和金属区域为相同材料或不同材料；介质区域和包层为相同材料或不同材料。

所述光波导结构中金属基底和嵌于介质区域中的金属区域的材料为能产生表面等离子激元的金、银、铝、铜、钛、镍、铬、钯中的任何一种、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介质区域中的金属区域的截面的形状为三角形、矩形、梯形、圆形、椭圆形、五边形或六边形中的任何一种。

本发明的表面等离子激元狭缝光波导具有以下优点：

本发明所设计的表面等离子激元狭缝光波导可以同时对两种模式实现很强的模场限制，且保持亚波长的模场面积。

该波导结构与现有平面波导的加工工艺相匹配。

附图说明

图1是表面等离子激元狭缝光波导的结构示意图。区域1为金属基底，“V”字形区域的高度为h，“V”字形区域中心的外顶角为θ；区域2为介质区域，其底部的内顶角为θ；区域3为嵌于介质区域中的金属区域，其宽度为w₃，高度为h₃，区域3上表面到包层下表面的最小距离为h₃₄，区域3下表面到金属基底区域“V”字形区域中心上表面的最小距离为h₃₁，区域3左侧到金属基底区域“V”字形区域的右表面的最小距离为d_31l，区域3右侧到金属基底区域“V”字形区域的左表面的最小距离为d_31r；区域4为包层。

图2是实例1所述表面等离子激元狭缝光波导的结构图。201为金属基底，其外顶角为θ，h为其高度，n_m为其折射率；202为呈“V”字形的介质区域，其厚度均匀，d为其厚度，202底部的内顶角为θ，n₁为其折射率；203为嵌于介质区域中的金属区域，其底部的内顶角也为θ，h_c为其高度，n_m为其折射率；204为包层，n_c为其折射率。