一種楔型表面等離子體波導(dǎo)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種楔型表面等離子體波導(dǎo)，包括低損耗金屬材料制作的金屬基底和其上的橫截面為三角形的金屬楔，金屬楔的尖端附著介質(zhì)層。介質(zhì)層外部為真空包圍。金屬楔橫截面的三角形的三個角均為銳角。介質(zhì)層為二氧化硅或硅或氟化鎂。介質(zhì)層附著于金屬楔兩側(cè)面、外表面為平面，由上至下逐漸減薄。等同條件的本發(fā)明與單楔型表面等離子體波導(dǎo)相比，有效提高了表面等離子體波的傳播距離和有效模場面積之間的比值，最終品質(zhì)因數(shù)提高了一個數(shù)量級；實現(xiàn)表面等離子體波導(dǎo)導(dǎo)光功能的同時，有效地減少信道間串?dāng)_，有利于光子電路的微型化和提高集成度；且本波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡單，易于實施。
【專利說明】一種楔型表面等離子體波導(dǎo)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米光子學(xué)領(lǐng)域中的一種波導(dǎo)，具體涉及一種楔型表面等離子體波導(dǎo)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，傳統(tǒng)介質(zhì)集成光學(xué)器件的發(fā)展受到了衍射極限的限制，小型化集成化方面遇到了瓶頸，但是表面等離子體波可以把光限制在納米尺寸，因此，利用表面等離子體波來實現(xiàn)亞波長器件成了研究熱點。
[0003]表面等離子體波是慢波，跟常規(guī)介質(zhì)的波相比，具有較大的相速度，更短的波長，更高的動量，更高的波阻抗，然而金屬的介電常數(shù)在光波波段是負(fù)數(shù)，其虛部表示金屬吸收光的能力，這種結(jié)構(gòu)是以損耗為代價的，其限制性和損耗是一對永恒的矛盾，限制性越強，必然引起較大的損耗，較大的模斑面積可以減少損耗。因此，如何在限制性和損耗之間找到一個很好的平衡點是表面等離子體波導(dǎo)設(shè)計需要考慮的問題。而限制性和損耗分別由模場面積和傳播距離體現(xiàn)。但在之前的研究中，一些研究者片面追求傳播距離，而忽視了有效模場面積，較大的模場面積會導(dǎo)致波導(dǎo)在應(yīng)用中可能導(dǎo)致光子集成電路集成度不高，導(dǎo)致相鄰信道間出現(xiàn)串?dāng)_。
[0004]單楔型表面等離子體波導(dǎo)是近年出現(xiàn)的一種表面等離子體波導(dǎo)，在長條的金屬基底上有一長度與基底相同的、截面為三角形的金屬楔，所用金屬為低損耗金屬，即該金屬材料的介電常數(shù)具有一個大的負(fù)實部和小的虛部。單楔型表面等離子體波導(dǎo)的優(yōu)點是可以把能量限制在三角楔 的頂角部分，但其片面的追求傳播距離，忽略了有效模場面積，最終導(dǎo)致模場面積大，相鄰信道間容易產(chǎn)生串?dāng)_，為了避免串?dāng)_，則需要增大器件尺寸，故會降低光子集成電路的集成度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是設(shè)計一種改進的楔型表面等離子體波導(dǎo)，在原有單楔型表面等離子體波導(dǎo)的尖端上覆蓋一層介質(zhì)層。相比于傳統(tǒng)的單楔型表面等離子體波導(dǎo)，極大的減小了有效模場面積，為光子集成電路的微型化和集成化提供了可能。
[0006]本發(fā)明設(shè)計的一種楔型表面等離子體波導(dǎo)包括長條的金屬基底和其上的長度與基底相同的、橫截面為三角形的金屬楔，所述金屬基底和金屬楔為低損耗金屬材料制作，其特征在于所述金屬楔的尖端附著介質(zhì)層。介質(zhì)層外部為真空包圍，即該波導(dǎo)置于真空環(huán)境中。
[0007]所述金屬楔橫截面的三角形的三個角均為銳角。優(yōu)選方案的金屬楔頂部尖端角度為30~40度。
[0008]所述低損耗金屬材料為銀、銅、金、鋁中的任一種。最優(yōu)選擇金屬材料為銀。
[0009]所述介質(zhì)層為二氧化硅、或硅、或氟化鎂。
[0010]所述介質(zhì)層附著于金屬楔兩側(cè)面，金屬楔兩側(cè)面上附著的介質(zhì)層外表面為平面，介質(zhì)層外表面的交角小于金屬楔尖端的角度Θ，金屬楔兩側(cè)面上的介質(zhì)層由上至下逐漸減薄。
[0011]所述金屬楔的高度h，即金屬楔尖端至金屬基底表面的垂直距離，h≥1.3 μ m。
[0012]所述金屬楔尖端的介質(zhì)層厚度為Th,5nm ^ Th ^ 500nm。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:1、等同條件的本發(fā)明楔型表面等離子體波導(dǎo)與單楔型表面等離子體波導(dǎo)相比，雖然傳播距離減小10%，但有效模場面積可減小90%以上，有效提高了表面等離子體波的傳播距離和有效模場面積之間的比值，最終品質(zhì)因數(shù)提高了一個數(shù)量級；2、實現(xiàn)表面等離子體波導(dǎo)導(dǎo)光功能的同時，有效地減少信道間串?dāng)_，有利于光子電路的微型化和提高集成度；3、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡單，易于實施。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本楔型表面等離子體波導(dǎo)實施例的橫向剖面圖。
[0015]圖中標(biāo)號為:
[0016]1、金屬基底，2、金屬楔,3、介質(zhì)層,4、真空環(huán)境；
[0017]h為金屬層楔型尖端的高度，
[0018]Θ為金屬楔尖端的角度，
[0019]Th為金屬楔尖端介質(zhì)層的厚度。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖及實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。
[0021]本楔型表面等離子體波導(dǎo)實施例如圖1所示，金屬基底I和其上的金屬楔2為金屬銀制成，相對介電常數(shù)ε ^rtal =-129+3.3i，介質(zhì)層2為二氧化硅，相對介電常數(shù)ε d =
2.25，真空環(huán)境的相對介電常數(shù)ε&=1。本例金屬楔2尖端的高h(yuǎn) = 2μπι，金屬楔2尖端角度Θ =40°，本例二底角相等，也可為不等的銳角。金屬楔尖端附著的介質(zhì)層3厚度為Th = 5nm，所述介質(zhì)層3附著于金屬楔2兩側(cè)面，介質(zhì)層3由上至下逐漸減薄，至金屬基底I的表面介質(zhì)層厚度減為O,金屬楔2兩側(cè)面上的介質(zhì)層3外表面為平面。
[0022]本實施例采用工作波長λ = 1.55 μ m，得到傳播長度的范圍是180~340 μ m，模場面積減小至0.003~0.02 μ m2,品質(zhì)因數(shù)比同等條件的單楔型表面等離子體波導(dǎo)改善10~30倍。
[0023]上述實施例，僅為對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進一步詳細(xì)說明的具體個例，本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進等，均包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種楔型表面等離子體波導(dǎo)，包括長條的金屬基底(1)和其上的長度與金屬基底(1)相同的、橫截面為三角形的金屬楔(2)，所述金屬基底(1)和金屬楔(2)為低損耗金屬材料制作，其特征在于: 所述金屬楔(2的尖端附著介質(zhì)層(3)，介質(zhì)層(3)外部為真空包圍，即該波導(dǎo)置于真空環(huán)境⑷中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的楔型表面等離子體波導(dǎo)，其特征在于: 所述金屬楔(2)橫截面的三角形的三個角均為銳角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的楔型表面等離子體波導(dǎo)，其特征在于: 所述金屬楔⑵頂部尖端角度(9 )為30~40度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的楔型表面等離子體波導(dǎo)，其特征在于: 所述低損耗金屬材料為銀、銅、金、鋁中的任一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的楔型表面等離子體波導(dǎo)，其特征在于: 所述低損耗金屬材料為銀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的楔型表面等離子體波導(dǎo)，其特征在于: 所述介質(zhì)層(3)為二氧化硅、或硅、或氟化鎂。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的楔型表面等離子體波導(dǎo)，其特征在于: 所述介質(zhì)層(3)附著于金屬楔(2)兩側(cè)面，金屬楔(2)兩側(cè)面上附著的介質(zhì)層(3)外表面為平面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的楔型表面等離子體波導(dǎo)，其特征在于: 所述介質(zhì)層(3)外表面的交角小于金屬楔(2)尖端的角度(Θ)，金屬楔(2)兩側(cè)面上的介質(zhì)層(3)由上至下逐漸減薄。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的楔型表面等離子體波導(dǎo)，其特征在于: 所述金屬楔(2)的高度h≥L 3 μ m。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的楔型表面等離子體波導(dǎo)，其特征在于: 所述金屬楔⑵尖端的介質(zhì)層⑶厚度為Th, 5nm ^ Th ^ 500nm。
【文檔編號】G02B6/122GK103955022SQ201410180732
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】陳明, 童秀倩, 李海鷗, 尚軍萍, 陳輝 申請人:桂林電子科技大學(xué)