本發(fā)明屬于光子集成領域，特別涉及一種用于光束高局域化且低損耗的圓柱形混合等離激元波導。

背景技術：

表面等離激元(spp)是指金屬表面上的自由振蕩電子與光子相互作用產生沿著金屬-介質表面?zhèn)鞑サ臋M磁偏振態(tài)的衰逝場。spp的場分布在金屬-介質界面上為最大值，沿著界面的法線方向在金屬和介質中呈指數衰減。傳統(tǒng)的介質平板波導因受衍射極限的限制無法有效的將光場限制在較小的區(qū)域。而表面等離激元波導能夠有效的將光場限制在亞波長尺度的范圍內，且其獨特的局域場增強效應，在納米光子學領域將發(fā)揮重要作用。這種微型化的實現(xiàn)，使得spp波能夠用于制作微納尺度量級的光子器件，且有助于光電集成器件的高度小型化。

近十年來，尤其在光子集成領域，人們已經相繼提出眾多可以將光場限制在納米尺度的sp波導結構，如介質-金屬-介質波導結構，金屬-介質-金屬波導結構，金屬縫結構，v槽波導結構等。然而，這些sp波導因結構中含有介電常數為負數的金屬材料，因此傳輸過程中損耗很大，導致光的傳輸相對較短。其中金屬-介質-金屬型光波導具有很強的模場限制能力，但傳輸損耗太大，導致其無法實現(xiàn)長距離傳輸。另一方面，介質-金屬-介質型光波導傳輸損耗較低，但較差的模場限制能力制約了其在高集成度光路中的應用。

針對傳統(tǒng)表面等離激元光波導的模場限制能力和傳輸損耗之間的矛盾，2007年，加拿大多倫多大學的alam等人第一次提出混合等離激元波導，在金屬平板上依次為低折射率介質材料和高折射率介質材料，周圍為空氣包層。當光從左側垂直進入結構時，光場被很好的限制在低折射率介質層中。這是因為金屬和介質界面?zhèn)鞑サ膕p模式和介質波導中的模式相互耦合產生了一種更強的模式，其對光場具有更強的約束作用。盡管損耗較大，但傳播距離大大增加。加州大學伯克利分校的張翔研究小組提出了一種混合型表面等離激元光波導，他們的研究發(fā)現(xiàn)在低折射率介質和金屬表面的附近添加一個高折射率介質層，可將光場約束到高折射率介質層和金屬界面之間的低折射率介質狹縫中傳輸，同時保持較低的傳播損耗。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提高傳統(tǒng)混合型等離激元波導的特性，提出一種具有強場限制能力和低傳輸損耗的圓柱形混合等離激元波導結構。

為了實現(xiàn)強場限制能力和低傳輸損耗的目的，本發(fā)明采用以下技術方案：一種緊湊型低損耗的圓柱形混合等離激元波導，所述混合等離激元波導是由a、b與c三種材料由內向外逐層構成的三層同軸圓柱形結構。

進一步的，a、b與c三種材料分別采用高折射率介質、低折射率介質與金屬，芯層半徑為r1，低折射率介質層外半徑為r2，金屬層外半徑為r3。

進一步的，高折射率介質和低折射率介質分別為si和sio2，其中si的折射率為3.445，sio2的折射率為1.46。

進一步的，金屬為金、銀、鋁或銅。

進一步的，波導結構的尺寸與工作波長λ為同一量級，但小于工作波長。

進一步的，高折射率介質區(qū)域r1為工作波長的0.07～0.16倍。

進一步的，低折射率介質區(qū)域r2-r1為工作波長波長的0.008～0.1倍。

圓柱混合型波導結構對應的芯層半徑為r1，金屬層內半徑為r2，金屬層外半徑為r3，其中位于高折射率介質和貴金屬之間的低折射率介質部分的寬度為r2-r1。所對應的高折射率介質、低折射率介質與貴金屬分別為si、sio2與金屬，金屬為金、銀、鋁或銅。在一定的工作波段，當光垂直進入結構時，光場被很好的限制在低折射率介質sio2層中。這是因為金屬和介質界面?zhèn)鞑サ膕p模式和介質波導中的模式相互耦合產生了一種更強的模式，其對光場具有更強的約束作用，同時在結構依然緊湊的情況下，具有低損耗長傳播距離的特性。

圓柱形混合等離激元波導的模式有效折射率neff由有限元法的模式分析直接求出。通過基于有限元算法的comsolmultiphysics，使用射頻(rf)模塊中的模式分析和頻率分析，得到圓柱形混合等離激元波導結構中一系列的模式特性及傳輸特性。

由于柱對稱的結構，支持的偏振模式更多，無論是線偏振光還是徑向偏振光。

圓柱混合型波導結構中金屬層的材料，根據工作波長，選擇能產生表面等離激元的金屬材料，如金、銀、鋁、銅等，結合高折射率介質與低折射率介質層進行結構參數設計，可顯著地縮小該波導結構的光場分布范圍，實現(xiàn)對傳輸光場的強約束，同時仍能保持較低的傳輸損耗。

本發(fā)明的圓柱形混合等離激元具有以下優(yōu)點：

(1)本發(fā)明圓柱形混合等離激元波導結構簡單易設計，材料獲取容易，制備易實現(xiàn)。

(2)本發(fā)明圓柱形混合等離激元波導可以實現(xiàn)對線偏振光和徑向偏振光同時具備較強的光場限制能力，突破了現(xiàn)有技術的偏振態(tài)局限性。

(3)本發(fā)明通過材料的適當選擇和結構尺寸的合理設計，保持較低的傳輸損耗，使傳播距離大大增強。

(4)本發(fā)明圓柱形混合等離激元波導結構緊湊，因此便于光子集成，可應用于超高密度集成光路，易應用于高集成度的光波導芯片中。

附圖說明

圖1為實施例圓柱形混合等離激元波導結構截面示意圖。

圖2為實施例633nm波長徑向偏振波導模式|er|分布圖。

圖3為實施例633nm波長徑向偏振波導模式|er|沿波導截面直徑分布曲線。

圖4為實施例633nm波長徑向偏振波導模式偏振分布，箭頭標明徑向偏振態(tài)。

圖5為實施例為633nm波長模式有效折射率實部neff_r隨高折射率介質芯層半徑r1變化關系。

圖6為實施例為633nm波長模式有效折射率虛部neff_i隨高折射率介質芯層半徑r1變化關系。

圖7為實施例圓柱形混合等離激元波導a和圓柱形金屬-介質波導b模式有效折射率虛部neff_i對比圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發(fā)明作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。

如圖1所示，本實施例為由三種材料a、b與c由內向外逐層構成的一種三層同心圓柱形混合等離激元波導，其結構由內向外分別是高折射率介質、低折射率介質與金屬，對應的芯層半徑為r1，金屬層內半徑為r2，金屬層外半徑為r3，其中位于高折射率介質和貴金屬之間的低折射率介質部分寬度為r2-r1。

本實施例中的高折射率介質、低折射率介質和貴金屬為si、sio2與ag，其中si的折射率為3.445，sio2的折射率為1.46。金屬的介電常數隨著電磁波頻率的變化而變化，本實施例選用一個描述金屬色散關系的drude-lorentz模型來確定在某個波段或者某個波長下的介電常數。對于傳輸光信號的波長為633nm，所對應金屬銀的介電常數為εm＝-14.489+1.0949i。

圖2是實施例633nm波長徑向偏振波導模式|er|分布圖，其中芯層半徑為r1＝50nm，位于高折射率介質和貴金屬之間的低折射率介質部分為r2-r1＝20nm，金屬層外半徑和內半徑之差為r3-r2＝80nm。使用全矢量有限元方法對本實施例進行仿真，由圖可見，所述的圓柱形混合等離激元波導在高折射率介質和貴金屬之間低折射率介質區(qū)域有明顯的場增強效應，并且具有超強的模場限制能力。

圖3是實施例徑向偏振波導模式電場模的r分量|er|沿波導截面直徑的分布曲線，在工作波長為633nm時，電場模的r分量|er|沿波導截面直徑方向的分布曲線，由圖可見，在低折射率狹縫區(qū)域內對光場具有強場約束能力，并且有明顯的場增強效應。

圖4是實施例徑向偏振波導模式偏振分布，箭頭標明徑向偏振態(tài)，在傳輸光信號的波長為633nm時，徑向偏振光的電場振動方向沿著徑向，整個有源系統(tǒng)的柱對稱結構特性，支持的偏振模式更多，無論是線偏振光還是徑向偏振光，并且具有器件集成度高的優(yōu)勢。

圖5是實施例在傳輸光信號的波長為633nm時，模式有效折射率實部neff_r隨高折射率介質芯層半徑r1變化關系。在低折射率介質區(qū)域選擇為r2-r1＝50nm時，波導內傳輸的表面等離激元模式的neff_r隨芯層si的半徑r1增大而增大，同樣選擇r2-r1＝20nm和r2-r1＝5nm，由圖可見，模式有效折射率實部neff_r隨高折射率介質芯層半徑r1增大而增大。

圖6是實施例在傳輸光信號的波長為633nm時，模式有效折射率虛部neff_i隨高折射率介質芯層半徑r1變化關系。在低折射率介質區(qū)域選擇為r2-r1＝50nm、r2-r1＝20nm和r2-r1＝5nm，模式有效折射率虛部neff_i隨高折射率介質芯層si的半徑r1增大而減小。傳播距離l定義為任一界面上電場強度衰減為起始值1/e時的距離，其表達式為：

l＝1/(k0neff_i)＝λ/(2πneff_i)

其中k0是真空中的波矢；neff_i是波導的模式有效折射率的虛部；

模式有效折射率的實部代表圓柱形混合波導結構中的折射率，而虛部大小決定了混合模式在波導中傳播時傳輸損耗的大小。

圖7是實施例圓柱形混合等離激元波導a和圓柱形金屬-介質波導b模式有效折射率虛部neff_i的對比圖，其中a波導為圓柱形混合波導，b波導為由內至外的介質硅和金屬銀組成的同軸圓柱形等離激元波導，由圖可見，圓柱形混合波導的表面等離激元模式的有效折射率虛部neff_i有明顯的減小，并且隨著芯層半徑r1的增大而減小，可實現(xiàn)低損耗傳輸。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明做任何形式的限制。凡是依據本發(fā)明的技術和方法實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。