[发明专利]具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导

说明书

本发明公开了一种具有高品质因数的半导体‑金属‑聚合物非线性复合波导。本发明包括衬底和覆盖于衬底之上的半导体‑金属‑聚合物复合波导，半导体‑金属‑聚合物复合波导主要由金属层和分别布置于金属层的上下表面且上下对称布置的两个组合层构成，组合层包括从金属层表面向外的第一半导体层、聚合物层和第二半导体层；金属层和组合层外设置空气的包层。本发明波导具有高品质因数，同时所优化的波导在近红外和中红外波段均有高品质因数，在非线性应用中将有利于提升非线性波长转换效率、降低功耗。

技术领域

本发明属于通信领域半导体光电子器件，特别涉及了一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导。

背景技术

在非线性应用中，为了实现高的非线性转换效率，需要较高的非线性系数，同时线性和非线性损耗要小。常规的介质波导具有较小的损耗，但模场束缚能力较小，受衍射极限的限制，因而有效模场面积较大，非线性系数因而较小。狭缝波导能将光场束缚在狭缝中，有效地降低了有效模场面积，但仍受衍射极限的限制。而金属等离子体波导能突破衍射极限，能很好地束缚光场，有效模场面积可以减少一到两个数量级，较大地提升了非线性系数。但金属的引入使得线性欧姆损耗增大，这不利于非线性转换效率的提升。金属-聚合物-介质构成的狭缝复合波导具有较高的非线性系数，但损耗较大。介质-金属-介质(IMI)构成的对称波导，具有较低的损耗，光传输距离较长，但非线性系数不高。高的场束缚能力和低的传输损耗成为一对矛盾，这限制了波长转换效率的提升，不利于全光波长转换器件的应用。

发明内容

针对现有非线性波导器件的不足，本发明提供了一种具有高品质因数的半导体-金属-聚合物非线性复合波导，能有效解决波导传输损耗和模场束缚能力的矛盾。

本发明所采用的技术方案是：

本发明包括衬底和覆盖于衬底之上的半导体-金属-聚合物复合波导，半导体-金属-聚合物复合波导主要由金属层和分别布置于金属层的上下表面且上下对称布置的两个组合层构成，组合层包括从金属层表面向外的第一半导体层、聚合物层和第二半导体层；金属层和组合层外设置空气的包层。

两个组合层中的第一半导体层、聚合物层和第二半导体层的布置关于金属层形成的上下对称结构。

两个组合层中的第一半导体层分别紧贴布置于与金属层的上下表面，且第一半导体层布置于金属层的中间，聚合物层包裹于第一半导体层外且接触于金属层表面。

所述的第一半导体层的宽度小于金属层的宽度，聚合物层和第二半导体层的宽度等于金属层的宽度。

所述的复合波导中以聚合物层构成狭缝结构，由电场的边界条件，光场束缚在狭缝中，同时金属的等离子体波效应能进一步约束光场，实现较小的模场面积，实质形成一种复合等离子体波导。

所述的复合波导中以两半导体层、聚合物层和金属层形成对称波导结构(上下对称)，使得复合波导存在对称模式，有效地降低波导的线性传输损耗。

所述的第一半导体层和第二半导体层为高折射率材料，聚合物层为高非线性低双光子吸收材料，金属层为低线性损耗材料。

所述的聚合物层可采用聚合物DDMEBT([2-[4-(二甲基氨基)苯基]-3-([4-(二甲基氨基)苯基]乙炔基)丁-1,3-二烯-1,1,4,4-四氰])(不限于此)，在1550nm处，非线性折射率为1.7×10^-17m²/W，双光子吸收可忽略。

所述的第一半导体层和第二半导体层可采用硅(不限于此)，在中红外波段具有3.4以上的线性折射率，非线性折射率也较高，为4.5×10^-18m²/W，且双光子吸收可忽略。

所述的金属可采用具有较小吸收系数的金、银等，线性折射率的虚部小于20。