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一种表面 等离子体慢光波导

阅读：289发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种表面等离子体慢光波导专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明为一种表面等离子体慢光波导，金属基底为上下两块，介质光栅的栅条上、下两端分别经加载介质层与上、下金属基底连接。介质光栅的栅条以上、下金属基底之间的水平中心线为上下对称，各栅条的宽度a相等、间距b相等，栅条的高度由一端向另一端以相同的增幅2dh逐渐递增，最少为4根栅条。栅条之间为空气或者为真空。最优选择金属基底为银，介质光栅为硅，加载介质层为二氧化硅。本发明表面等离子体的传输损耗大幅度下降，在一定范围内同时具备传播速度小和损耗小的优势，上下金属基底包围了介质光栅，场被约束在栅条中，有极强场的约束性，同时得到损耗低、约束性强及群速度小的优势。，下面是一种表面等离子体慢光波导专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种低损耗表面等离子体慢光波导，包括金属基底(1)和介质光栅(2)，其特征在于：
所述金属基底(1)为上、下两块，介质光栅(2)的栅条上、下两端分别经加载介质层(3)与上、下金属基底(1)连接，介质光栅(2)的栅条以上、下金属基底(1)之间的水平中心线上下对称，各栅条的宽度相等，各栅条的间距相等，各栅条的厚度相等，栅条的高度由一端向另一端以相同的增幅逐渐递增，最少为4根栅条；栅条之间为空气(4)或者为真空。
2.根据权利要求1所述的低损耗表面等离子体慢光波导，其特征在于：
所述金属基底(1)的材料为低损耗金属银、铜、金、铝中的任一种；所述介质光栅(2)的材料为相对介电常数大于10的绝缘体；所述加载介质层(3)的材料为相对介电常数大于
2、小于介质光栅介电常数的绝缘体。
3.根据权利要求1所述的低损耗表面等离子体慢光波导，其特征在于：
所述金属基底(1)的材料为银；所述介质光栅(2)的材料为硅；所述加载介质层(3)的材料为二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的低损耗表面等离子体慢光波导，其特征在于：
所述介质光栅(2)的栅条宽度为100～120nm。
5.根据权利要求1所述的低损耗表面等离子体慢光波导，其特征在于：
所述介质光栅(2)的栅条间距为130～250nm。
6.根据权利要求1所述的低损耗表面等离子体慢光波导，其特征在于：
所述介质光栅(2)的栅条高度为40nm≤h≤800nm，相邻栅条的高度差为4～16nm。
7.根据权利要求1所述的低损耗表面等离子体慢光波导，其特征在于：
所述的加载介质层(3)的高度为10～20nm。
8.根据权利要求1所述的低损耗表面等离子体慢光波导，其特征在于：
所述介质光栅(2)的栅条和加载介质层(3)的厚度相等。
9.根据权利要求1所述的低损耗表面等离子体慢光波导，其特征在于：与加载介质层(3)连接的上方的金属基底(1)的底和下方的金属基底(1)的顶为直线，二者以水平中心线上下对称。

说明书全文

一种表面 等离子体慢光波导

技术领域

[0001] 本发明属于纳米光子学领域中的一种波导，具体涉及一种表面等离子体慢光波导。

背景技术

[0002] 表面等离子体(SPs)是一种沿着导体表面传输的电磁波，可由光波和导体表面上的电子共振激发产生。该电磁波沿着导体表面的方向上传播，在垂直导体表面的方向上呈指数衰减，因此被束缚在导体表面传播。由于表面等离子体能克服衍射极限，在微纳米器件中被认为是一种很具有前景的传输光信息的载体，通过选择不同形状的导体表面结构，可以引导表面等离子体极化不同形式的传播，特别是在纳米规模的新型光子集成回路有很大的潜力，成为研究的热点。

[0003] 慢光被认为是最有前景的技术之一，广泛用于光存储，光信号处理，光学记忆，光通信等微纳米集成回路中，其“彩虹局域效应”是一种很有发展前景的表面等离子体慢光现象。在理论和实验的研究中，不同的频段下，不同的表面等离子体结构对慢光的影响不同。特别对绝热的金属光栅结构的表面等离子体慢光的研究发现，在金属光栅中慢光的传输速度很低，约为光速的几千分之一，甚至更小。然而，现有的研究工作主要集中在如何改变金属光栅结构以获得更小的传播速度，而忽略了在金属表面上传输表面等离子体的欧姆损耗，因而现有的金属光栅有比较大的损耗、所产生的表面等离子体不能传输相对较长的距离。在慢光系统中要同时兼顾表面等离子体的传播速度和传播损耗，即在可接受的慢光传播速度的基础上减少传输损耗，或者在可接受的传输损耗的基础上减小慢光传播速度。

[0004] 以往的表面等离子体波导多是追求如何获得小的传播速度，往往忽略了表面等离子体在传输过程中的传输损耗。例如金属光栅波导，由两个对称的高度递增的金属齿形构成,金属齿宽度相等，齿深逐渐递增，齿间空气槽的宽度一致。不同频率入射波所产生的表面等离子体被约束在不同高度的空气槽中，大幅度地降低表面等离子体的传播速度。但是此种慢光波导由于中间的场与金属大面积接触，故损耗很大，不利于表面等离子体的长距离传输。近年报道的介质光栅结构是一种慢光传输波导，具有很低的传输损耗，并且对表面等离子体有很强的场的约束性。例如一种新型的慢光波导是在金属基体上连接高度逐渐增加的多个硅齿，此结构的波导产生的场大部分在硅齿中间，但是仍有很大一部分场在硅齿上方的空气中，用在纳米集成回路中，空气的场会和其他器件产生信号串扰，约束性不够。

[0005] 慢光传输速度慢，有利于在未来光子集成回路中对光信息的处理；损耗低有利于增大表面等离子体在波导中的传输距离；场约束性强则有效地避免了在光子集成回路中光信号之间的信息干扰。现在需要同时具有这三个方面的优势的表面等离子体慢光波导。

发明内容

[0006] 本发明的目的是设计一种表面等离子体慢光波导，介质光栅的栅条上、下两端分别经加载介质层与上、下金属基底连接。同时具有群速度低，传输损耗小，场的约束性强三大优势，有利于光子集成回路中光信息的处理。

[0007] 本发明设计的一种表面等离子体慢光波导，包括金属基底和介质光栅，所述金属基底为上下两块，介质光栅的栅条上、下两端分别经加载介质层与上、下金属基底连接。介质光栅的栅条以上、下金属基底之间的水平的中心线为上下对称，各栅条的宽度a，各栅条的间距b等，各栅条的厚度相等，栅条的高度由一端向另一端以相同的增幅2dh逐渐递增，最少为4根栅条。栅条之间为空气或者为真空。

[0008] 所述金属基底的材料为低损耗金属银、铜、金、铝中的任一种。最优选择为银。

[0009] 所述介质光栅的材料为相对介电常数大于10的绝缘体，最优选择为硅。

[0010] 所述加载介质层的材料为相对介电常数大于2、小于介质光栅介电常数的绝缘体，最优选择为二氧化硅。

[0011] 所述介质光栅的栅条宽度a为100～120nm，栅条间距b为130～250nm。

[0012] 所述介质光栅的栅条高度h为40nm≤h≤800nm，相邻栅条的高度差2dh为4～16nm。

[0013] 所述的加载介质层的高度为10～20nm。

[0014] 所述介质光栅的栅条和加载介质层的厚度相等。

[0015] 与加载介质层连接的上方的金属基底的底和下方的金属基底的顶为直线，二者以水平的中心线上下对称。

[0016] 与现有技术相比，本发明一种表面等离子体慢光波导的有益效果是：1、表面等离子体的传输损耗大幅度下降，在一定范围内同时具备传播速度小和损耗小的优势，只是相比金属光栅结构，传播速度略大，但因损耗降低很多，故优势仍很明显；2、不同频率入射波激励所产生的表面等离子体可在对应高度的介质光栅中产生共振，且上下金属基底包围了介质光栅，场被约束在单个或者几个栅条中，不会向空气中发散，具有极强的场的约束性；3、同时具有群速度低，传输损耗小，场的约束性强三大优势，将成为光子集成回路中光信息的处理的重要组成部分；4、波导结构简单，易于实施。
附图说明

[0017] 图1为本表面等离子体慢光波导实施例的结构示意图。

[0018] 图2为本表面等离子体慢光波导实施例的仿真实验所测得的表面等离子体的损耗因子与入射波频率的关系图；

[0019] 图3为本表面等离子体慢光波导实施例的仿真实验所测得的表面等离子体群速度与入射波频率的关系图。

[0020] 图中标号为：

[0021] 1、金属基底，2、介质光栅，3、加载介质层，4、空气。

[0022] a为介质光栅的栅条宽度，

[0023] b为介质光栅的栅条间距，

[0024] h为介质光栅第一个栅条的高度，

[0025] dh为介质光栅相邻栅条一端的递增高度，

[0026] d为介质加载层的高度。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0028] 本表面等离子体慢光波导实施例的结构如图1所示，上、下两块金属基底1为相同的直角三角形，斜边相对，且以水平中心线上、下对称。本例金属基底1的材料为银。

[0029] 介质光栅2的栅条上、下两端分别经加载介质层3与上、下金属基底1连接。介质光栅2的栅条以上、下金属基底1之间的水平中心线为上下对称，本例介质光栅2的材料为硅，相对介电常数为11.9，加载介质层3的材料为二氧化硅，相对介电常数为2.25。各栅条的宽度a相等，a为100nm，各栅条间距b相等，b为150nm。本例栅条之间为空气4。本例共有6根栅条，左端栅条最短，高度h为90nm，由左向右，栅条上下各以dh＝5nm逐渐递增，右端的栅条高度为140nm。

[0030] 所述的加载介质层3的高度为10～20nm。

[0031] 本例金属基底1、介质光栅2和加载介质层3，厚度相等为40nm。

[0032] 本实施例的工作频率为90THz到500THz，得到不同频率所产生的表面等离子体出现在不同高度的介质光栅2的栅条中间，电磁场趋向在相对介电常数大的介质中传输，上、下金属基底1产生的场都集中在中间的硅制的介质光栅2中，本例慢光波导有极强的约束性，相应的频率的入射波所产生的表面等离子体被约束在对应高度的栅条中，场所占的空间小，向空气中散发的场比现有的慢光波导都小。在入射波的激励下，从仿真结果可观察所产生的场主要集中在介质硅中，并且不同频率的入射波所产生的表面等离子体大部分出现在对应高度的硅介质栅条中，一小部分出现在二氧化硅介质加载层3中，出现在空气和金属银中的场极少，可以忽略不计。本实施例场的高度集中体现了约束性强。

[0033] 本实施例因加载介质层3将介质光栅2和金属基底1隔离，所以本例的表面等离子体金属基底1的欧姆损耗很低。本实施例仿真结果表面等离子体的损耗因子与入射波频率的关系如图2所示。图2中横坐标为入射波的频率f，单位为THz，纵坐标为表面等离子2
体的损耗因子α，单位为10/m。图中可见在180THz～250THz频率段，损耗因子降低至仅
112到180/米。与金属齿形慢光波导相比，本实施例在不同的频率段损耗因子均明显降低，降低量为1到2个数量级不等。

[0034] 本慢光波导还有效地降低群速度，仿真实验测得本实施例表面等离子体传播速度仅为真空中的0.01倍。本实施例仿真结果表面等离子体的群速度与入射波频率的关系如图3所示。图3中横坐标为入射波的频率f，单位为THz，纵坐标为表面等离子体的群速度与光速的比值。图中可见频率大于240THz以后，群速度小于光速的2％。与大多数慢光波导群速度为光速的3％～10％相比，本实施例的群速度是相当低的。

[0035] 目前金属齿形光栅的群速度最低，仅为光速的几千分之一，本波导与之相比大一4 5
到两个数量级。但金属齿形光栅的损耗因子达10～10 /m，比本实施例的损耗因子高1到
2个数量级。本实施例在减小群速度的基础上大幅度减小损耗因子，具有综合优势。

[0036] 上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

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