專利名稱：一種等離子激元增益波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種等離子激元增益波導(dǎo)。
背景技術(shù)：
金屬電介質(zhì)界面的電子氣在電磁波的激勵(lì)耦合下產(chǎn)生的集體震蕩表現(xiàn)了奇異的光學(xué)特性，也就是所謂的表面等離子激元特性。其光場強(qiáng)度在金屬和電介質(zhì)界面處垂直方向上呈指數(shù)型衰減，能夠?qū)⒐饧s束在金屬表面幾十納米甚至更小的范圍，可以突破傳統(tǒng)的光衍射極限的限制。表面等離子激元這種超強(qiáng)的光學(xué)局域性使得其在納米光子學(xué)和光電集成等領(lǐng)域表現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力，并為實(shí)現(xiàn)納米激光光源和高集成的納米光子學(xué)器件提供了可能。、在納米光子集成的實(shí)際應(yīng)用中，超局域和長距離傳播的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)光子器件微型化的重要方面。等離子激元光波導(dǎo)在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)局域光傳播的同時(shí)不可避免的引入了較大的金屬熱損失，限制了其實(shí)際器件中的應(yīng)用。其中一種非常有前景的解決該問題的方法是基于光學(xué)增益媒介，比如熒光分子，量子點(diǎn)，半導(dǎo)體量子阱增益介質(zhì)等，引入到等離子激元光波導(dǎo)中以補(bǔ)償其傳播損失。這種方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償傳播損失，甚至能夠產(chǎn)生等離子激元激光激射。美國加州伯克利大學(xué)的張翔小組研究發(fā)現(xiàn)，在增益半導(dǎo)體納米線波導(dǎo)和金屬之間引入一層低折射率的隔離層，可將增益波導(dǎo)中的光局域在低折射率的隔離層中傳播。由于金屬增益波導(dǎo)界面產(chǎn)生的等離子激元傳播引入的熱損失和增益介質(zhì)的折射率的三次方成正比，因此這種結(jié)構(gòu)可以減小高折射率增益波導(dǎo)和金屬耦合產(chǎn)生的等離子激元雜化波導(dǎo)的傳播熱損失，同時(shí)能夠保持較高的局域性。但是這樣結(jié)構(gòu)中同樣存在著閾值增益和局域性的矛盾，為了減少增益波導(dǎo)耦合等離子激元傳播的閾值增益，可以通過增加隔離層的厚度，讓增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)離金屬，這樣等離子激元的能量會(huì)向增益波導(dǎo)中轉(zhuǎn)移，從而減少金屬熱損失，減少了閾值增益。但是這樣會(huì)使得增益波導(dǎo)和金屬等離子激元的耦合性減弱，光的局域性變差。與之對應(yīng)的等離子激元波導(dǎo)激光閾值增益增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種等離子激元增益波導(dǎo)。為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種等離子激元增益波導(dǎo)，包括基底層、介質(zhì)層、隔離層和增益波導(dǎo)，所述介質(zhì)層置于基底層的裸露表面，所述隔離層介于所述介質(zhì)層和所述增益波導(dǎo)之間，所述增益波導(dǎo)靠近所述介質(zhì)層的一端為楔形且尖端朝向所述介質(zhì)層，所述增益波導(dǎo)的折射率大于所述隔離層的折射率。所述增益波導(dǎo)的楔形端的尖端和所述介質(zhì)層間的距離與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. 01至O. I。所述增益波導(dǎo)的楔形端的尖端的角度范圍為10°至180°，并且所述增益波導(dǎo)的楔形端的楔形高度與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. 05至I。所述隔離層的折射率與所述增益波導(dǎo)的折射率的比值小于O. 75。
所述增益波導(dǎo)的材料為有機(jī)材料或無機(jī)材料；所述有機(jī)材料為含有熒光分子有機(jī)聚合物、高分子有機(jī)發(fā)光材料的任意一種；所述無機(jī)材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化
鎵、硒化鎘中任意一種。所述增益波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為通過元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)。所述增益波導(dǎo)遠(yuǎn)離所述介質(zhì)層的一端為柱體，且橫向剖面為正方形、長方形、三角形、梯形中的任意一種。所述增益波導(dǎo)的縱向剖面的寬度與波導(dǎo)中傳播的電磁波波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. I至2，縱向剖面的高度與波導(dǎo)中傳播的電磁波波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. 05至3。 所述介質(zhì)層的厚度與波導(dǎo)中傳播的電磁波波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為 O. I 至 O. 5。所述介質(zhì)層的材料為石墨烯材料或金屬材料；所述金屬材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于I.通過增益波導(dǎo)楔形結(jié)構(gòu)表面和金屬的耦合，極大的提高了等離子激元雜化波導(dǎo)模的局域性，同時(shí)保持較長的傳播距離。2.通過調(diào)節(jié)增益波導(dǎo)楔形結(jié)構(gòu)的頂角角度大小，能夠不改變低折射率的隔離層厚度，調(diào)節(jié)增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和金屬等離子激元的耦合強(qiáng)度。同時(shí)保持楔形結(jié)構(gòu)的頂端和金屬表面的距離，能夠維持光的局域強(qiáng)度，而提高等離子激元雜化波導(dǎo)的傳播距離。


圖I是本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)圖；圖2是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線；圖3是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式的傳輸距離在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線；圖4是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式的歸一化有效模面積在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線；圖5是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式在兩種楔形高度下距離金屬上表面2. 5納米出光場的電磁能量密度在X方向的分布曲線；圖6是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式在兩種楔形高度波導(dǎo)中間處光場的電磁能量密度在Y方向的分布曲線；圖7是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式在隔離層厚度為5nm楔形高度為IOOnm時(shí)光場能量的電磁能量密度分布圖8是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式在隔離層厚度為25nm楔形高度為Onm時(shí)光場能量的電磁能量密度分布圖；圖9是本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)圖；圖10是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波 波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的等離子激元模式在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線；圖11是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的等離子激元模式的傳輸距離在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線；圖12是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的等離子激元模式的歸一化有效模面積在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線；圖13是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的等離子激元模式在隔離層厚度為5nm楔形高度為70nm時(shí)光場能量的電磁能量密度分布圖；圖14是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的等離子激元模式在隔離層厚度為25nm楔形高度為Onm時(shí)光場能量的電磁能量密度分布圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)的具體實(shí)施方式
做詳細(xì)說明。表面等離子激元波導(dǎo)的模式特性是表征等離子激元波導(dǎo)的重要指標(biāo)。其中模式特性主要包括有效折射率的實(shí)部，傳播距離，有效模面積。有效模面積是用來表征場強(qiáng)的局域強(qiáng)度特征，定義為模式整體能量密度和能量密度峰值的比率。有效模式面積的計(jì)算表達(dá)式如下Am =-—-=---\\W{r)d2r
m max{fF(r)} max{fF(r)}W(r)=全(傘工)0)|五(r)f + μ0 \H(r)\)其中，AmS有效模面積，WjPW(r)分別為等離子激元波導(dǎo)的電磁能量和能量密度。Max{W(r)}為最大能量密度。ε (r)，分別為等離子激元波導(dǎo)有效介電常數(shù)和真空磁介電常數(shù)。E(r)，H(r)分別為等離子激元波導(dǎo)的電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度。歸一化有效模面積A為A = AJA0A0 = λ 2/4其中Atl為衍射極限模的面積。其中λ為表面等離子激元波導(dǎo)光傳播波長。歸一化有效模面積的大小表征模式的光局域能力，該值小于I的情形對應(yīng)于亞波長的尺寸約束，當(dāng)該值遠(yuǎn)小于I時(shí)，對應(yīng)深亞波長光場束縛能力。
等離子激元波導(dǎo)的傳播距離定義為等離子激元波導(dǎo)中電場強(qiáng)度衰減為起始值的Ι/e時(shí)的距離，其計(jì)算表達(dá)式為L111 = 1/(2 Im (k))其中k為等離子激元波導(dǎo)傳播方向上的復(fù)傳播矢量，Im(k)為復(fù)傳播矢量的實(shí)部，Lm為等離子激元波導(dǎo)的傳播距離。實(shí)施例一圖I所示為本發(fā)明 提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)圖。圖I中其中X-軸，y-軸與Z-軸分別代表坐標(biāo)軸X軸、y軸與z軸，z軸的方向?yàn)榇怪庇趫D表面，z軸的正向?yàn)槌狻１緦?shí)施例一提供一種等離子激元增益波導(dǎo)103，包括基底層101、介質(zhì)層102、隔離層111和增益波導(dǎo)103，所述介質(zhì)層102置于基底層101的裸露表面，所述隔離層111介于所述介質(zhì)層102和所述增益波導(dǎo)103之間，所述增益波導(dǎo)103靠近所述介質(zhì)層102的一端為楔形且尖端朝向所述介質(zhì)層102，所述增益波導(dǎo)103的折射率大于所述隔離層111的折射率。圖I中所示的Λ I代表所述增益波導(dǎo)103的楔形端的楔形高度，Hll代表增益波導(dǎo)103縱向剖面的高度，Η12代表增益波導(dǎo)103的楔形端的尖端和所述介質(zhì)層102間的距離，Η13代表介質(zhì)層102的厚度，Wl代表增益波導(dǎo)103縱向剖面的寬度，α I代表所述增益波導(dǎo)103的楔形端的尖端的角度。所述縱向剖面指的是從垂直于介質(zhì)層102的裸露表面方向進(jìn)行解剖。Η12與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. 01至O. 1，本實(shí)施例中選取波長500nm的光波作為增益波導(dǎo)103傳播波長，且在上述范圍內(nèi)H12分別取為5nm、10nm、25nm和50nm ;本實(shí)施例中α I范圍為53。-180° ;本實(shí)施例中Λ I的范圍為Onm至400nm ;本實(shí)施例中Wl取400nm ;本實(shí)施例中H13取300nm。所述隔離層111的折射率與所述增益波導(dǎo)103的折射率的比值小于O. 75 ;所述增益波導(dǎo)103的材料為有機(jī)材料或無機(jī)材料；所述有機(jī)材料為含有熒光分子有機(jī)聚合物、高分子有機(jī)發(fā)光材料的任意一種；所述無機(jī)材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘中任意一種；所述增益波導(dǎo)103的結(jié)構(gòu)為通過元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)。所述增益波導(dǎo)103遠(yuǎn)離所述介質(zhì)層102的一端為柱體，且橫向剖面為正方形、長方形、三角形、梯形中的任意一種；所述增益波導(dǎo)103的縱向剖面為矩形，Wl與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. 1-2，Hll與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. I至2。本實(shí)施例中，隔離層111的材料采用低折射率材料MgF2，折射率的實(shí)部為I. 38 ;增益波導(dǎo)103的材料采用GaN/InGaN量子阱基材料，折射率的實(shí)部為2. 4。所述橫向剖面指的是從平行于介質(zhì)層102的裸露表面方向進(jìn)行解剖。H13與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. I至0.5 ;所述介質(zhì)層102的材料為石墨烯材料或金屬材料；所述金屬材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。本實(shí)施例中采用銀材料，且H13取300nm，復(fù)介電函數(shù)色散關(guān)系為sAg=^b-E2^E(E= 9· 5eV Y =0-04eV。其中，eAg 為銀的復(fù)介電函數(shù)，ε b 為銀的電介質(zhì)常數(shù)部分，Ep為銀的自由電子氣的等離子振蕩能量，Y為銀的自由電子氣的振蕩弛豫時(shí)間，E為電磁波的振蕩能量。
使用全矢量有限元方法對本實(shí)施例增益波導(dǎo)進(jìn)行了仿真，計(jì)算得到500nm波長處增益雜化波導(dǎo)模式特征。圖2所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線。由圖2可見，所述等離子激元增益波導(dǎo)的等離子激元雜化模式的有效折射率隨著△ I的增大而減小，而整體大小隨著H12的增加而減小。圖3所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式的傳輸距離在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線。由圖3可見，所述等離子激元增益波導(dǎo)的等離子激元雜化模式的傳輸距離隨著Λ I的增大而增加。而整體傳播距離隨著Η12的增加而增加。因此可以通過改變楔形的 高度增加傳播距離，而不必改變低折射率的隔離層的厚度。如當(dāng)Η12為5nm時(shí)，△ I為IOOnm的傳播距離和H12為25nm，Λ I為Onm時(shí)的傳播距離相當(dāng)。圖4所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式的歸一化有效模面積在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線。由圖4可見，所述等離子激元增益波導(dǎo)的等離子激元雜化模式的有效模面積在H12分別為5nm和IOnm時(shí)隨著Λ I的增大而先減少后增加。而整體有效模面積隨著Η12的增加而增加。但是可以看到楔形的存在能夠很大程度的減小有效模面積。如當(dāng)Η12為5nm，Δ I為IOOnm時(shí)的傳播距離和H12為25nm，Λ I為Onm時(shí)的傳播距離相當(dāng)。但是其有效模面積遠(yuǎn)小于后者。也就說Η12的增加能夠有效提高傳播距離，但是其有效模面積的增加更加迅速，而在不改變Η12時(shí)，通過調(diào)節(jié)Λ I能夠有效的減緩有效模面積的增加速度。圖5所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式在兩種楔形高度下距離金屬上表面2. 5納米出光場的電磁能量密度在X方向的分布曲線。由圖5可見，在H12為5nm，Λ I為IOOnm時(shí)的增益光波導(dǎo)相比于Η12為25nm是Δ I為O時(shí)的光場在X方向更集中，模場尺寸更小。圖6所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式在兩種楔形高度波導(dǎo)中間處光場的電磁能量密度在Y方向的分布曲線。由圖6可見，在H12為5nm時(shí)，Al為IOOnm的增益光波導(dǎo)相比于H12為25nm不存在楔形時(shí)的光場在Y方向更集中在低折射率的隔離層中。而H12為25nm時(shí)，等離子激元與增益光波導(dǎo)的耦合較弱，導(dǎo)致增益光波導(dǎo)中集中了大量的電磁能量，其模場尺寸相對較大。圖7所示為是增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式在隔離層厚度為5nm楔形高度為IOOnm時(shí)光場能量的電磁能量密度分布圖。由圖7可以看出，楔形波導(dǎo)和金屬表面的等離子激元發(fā)生了耦合，大部分能量有效居于在楔形波導(dǎo)的尖端。圖8所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例一的等離子激元模式在隔離層厚度為25nm楔形高度為Onm時(shí)光場能量的電磁能量密度分布圖。由圖8可以看出，有楔形結(jié)構(gòu)和楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳播距離相當(dāng)時(shí)，Λ I為Onm結(jié)構(gòu)波導(dǎo)的光場能量主要局域在增益波導(dǎo)中，此時(shí)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和金屬等離子激元耦合較弱，能量局域模面積較大。計(jì)算得到實(shí)施例一所述波導(dǎo)在500nm波長處,一種H12為5nm, Δ I為IOOnm,另一種H12為25nm，Δ I為Onm，這兩種情況下雜化波導(dǎo)傳播距離相當(dāng)，但是前一種情況的波導(dǎo)的局域模式面積遠(yuǎn)小于第二種情況。第一種情況模式面積為O. 08 λ 2/4，而第二種情況的模式面積為O. 9 λ 2/4。因此相比于傳統(tǒng)的雜化增益波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，選取合適的楔形的高度，實(shí)施例一所述增益波導(dǎo)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低損耗和強(qiáng)局域的光場傳播，對進(jìn)一步降低閾值增益提供了可能。實(shí)施例二 圖9所示為本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)圖。圖9中其中X-軸，y-軸與Z-軸分別代表坐標(biāo)軸X軸、y軸與z軸，z軸的方向?yàn)榇怪庇趫D表面，z軸、的正向?yàn)槌?。本?shí)施例提供一種等離子激元增益波導(dǎo)903，包括基底層901、介質(zhì)層902、隔離層904和增益波導(dǎo)903，所述介質(zhì)層902置于基底層101的裸露表面，所述隔離層904介于所述介質(zhì)層902和所述增益波導(dǎo)903之間，所述增益波導(dǎo)903靠近所述介質(zhì)層902的一端為楔形且尖端朝向所述介質(zhì)層902，所述增益波導(dǎo)903的折射率大于所述隔離層904的折射率。圖9中所示的Λ 9代表所述增益波導(dǎo)903的楔形端的楔形高度，Η91代表增益波導(dǎo)903縱向剖面的高度，Η92代表增益波導(dǎo)903的楔形端的尖端和所述介質(zhì)層902間的距離，Η93代表介質(zhì)層902的厚度，W9代表增益波導(dǎo)903縱向剖面的寬度，α 9代表所述增益波導(dǎo)903的楔形端的尖端的角度。Η92與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. 01至O. 1，本實(shí)施例中選取波長500nm的光波作為增益波導(dǎo)903傳播波長，且在上述范圍內(nèi)H92分別取為5nm、10nm、25nm和50nm;本實(shí)施例中α I范圍為26. 5。至90。；本實(shí)施例中Λ 9的范圍為Onm至400nm ;本實(shí)施例中W9取400nm ;本實(shí)施例中H93取300nm。所述隔離層904的折射率與所述增益波導(dǎo)903的折射率的比值小于O. 75 ;所述增益波導(dǎo)903的材料為有機(jī)材料或無機(jī)材料；所述有機(jī)材料為含有熒光分子有機(jī)聚合物、高分子有機(jī)發(fā)光材料的任意一種；所述無機(jī)材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘中任意一種；所述增益波導(dǎo)903的結(jié)構(gòu)為通過元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)。所述增益波導(dǎo)903遠(yuǎn)離所述介質(zhì)層902的一端為柱體，且橫向剖面為正方形、長方形、三角形、梯形中的任意一種；所述增益波導(dǎo)903的縱向剖面為矩形，W9與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. I至2，H91與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. I至2。本實(shí)施例中，隔離層904的材料采用低折射率材料MgF2，折射率的實(shí)部為I. 38 ;增益波導(dǎo)903的材料采用GaN/InGaN量子阱基材料，折射率的實(shí)部為2. 4。所述介質(zhì)層902的厚度與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為O. I至O. 5 ;所述介質(zhì)層902的材料為石墨烯材料或金屬材料；所述金屬材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。本實(shí)施例中采用銀材料，且H93取300nm，復(fù)介電函數(shù)色散關(guān)系為sAg = = 9. 5eV, Y =0.04eV。其中，eAg 為銀的復(fù)介電函數(shù)，ε b 為銀的電介質(zhì)常數(shù)部分，Ep為銀的自由電子氣的等離子振蕩能量，Y為銀的自由電子氣的振蕩弛豫時(shí)間，E為電磁波的振蕩能量。
使用全矢量有限元方法對本實(shí)施例增益波導(dǎo)進(jìn)行了仿真，計(jì)算得到500nm波長處增益雜化波導(dǎo)模式特征。圖10所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的等離子激元模式在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線。由圖10可見，所述等離子激元增益波導(dǎo)903的等離子激元雜化模式的有效折射率隨著Λ9的增大而減小，而整體大小隨著低折射率的H92的增加而減小。
圖11所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的等離子激元模式的傳輸距離在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線。由圖11可見，所述等離子激元增益波導(dǎo)903的等離子激元雜化模式的傳輸距離隨著Λ9的增大而增加。而整體傳播距離隨著低折射隔離厚度的增加而增加。因此可以通過改變楔形的高度增加傳播距離，而不必改變低折射率的隔離層904的厚度。如當(dāng)H92為5nm時(shí)，Λ 9為70nm的傳播距離和H92為25nm，Λ 9為Onm時(shí)的傳播距離相當(dāng)。圖12所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的等離子激元模式的歸一化有效模面積在不同隔離層厚度下隨著楔形高度的變化曲線。由圖12可見，所述等離子激元增益波導(dǎo)903的等離子激元雜化模式的有效模面積在隔離層904層厚度分別為5nm和IOnm時(shí)隨著Δ9的增大而增加。而整體有效模面積隨著低折射的H92的增加而增加。但是可以看到楔形的存在能夠很大程度的減小有效模面積。如當(dāng)H92為5nm時(shí)，Λ 9為70nm的傳播距離和H92為25nm，Λ 9為Onm時(shí)的傳播距離相當(dāng)。但是其有效模面積遠(yuǎn)小于后者。也就說Η92的增加能夠有效提高傳播距離，但是其有效模面積的增加更加迅速，而在不改變Η92時(shí)，通過調(diào)節(jié)楔形的高度能夠有效的減緩有效模面積的增加速度。圖13所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的等離子激元模式在隔離層厚度為5nm楔形高度為70nm時(shí)光場能量的電磁能量密度分布圖。由圖13可以看出，楔形的增益波導(dǎo)903和介質(zhì)層902表面的等離子激元發(fā)生了耦合，大部分能量有效局域在增益波導(dǎo)903楔形底和介質(zhì)層902之間的隔離層中。圖14所示為增益波導(dǎo)中傳播的電磁波波長為500nm時(shí)，本發(fā)明提供的一種等離子激元增益波導(dǎo)實(shí)施例二的等離子激元模式在隔離層厚度為25nm楔形高度為Onm時(shí)光場能量的電磁能量密度分布圖。由圖14可以看出，和圖13楔形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)傳播距離相當(dāng)時(shí)，Λ9為Onm的增益波導(dǎo)903的光場能量主要局域在增益波導(dǎo)903中，此時(shí)，增益波導(dǎo)903和金屬等離子激元耦合較弱，能量局域模面積較大。計(jì)算得到實(shí)施例二所述波導(dǎo)在500nm波長處，一種H92為5nm，Λ 9為70nm，另一種H92為25nm，Λ9為Onm，這兩種情況下雜化波導(dǎo)傳播距離相當(dāng)，但是前一種情況的波導(dǎo)的局域模式面積遠(yuǎn)小于第二種情況。第一種情況模式面積為O. 2 λ 2/4，而第二種情況的模式面積為O. 9 λ 2/4。因此相比于傳統(tǒng)的雜化增益波導(dǎo)903結(jié)構(gòu)，選取合適的楔形的高度，實(shí)施例二所述增益波導(dǎo)903可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)低損耗和強(qiáng)局域的光場傳播，對進(jìn)一步降低閾值增益提供了可能。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍
權(quán)利要求
1.一種等離子激元增益波導(dǎo)，包括基底層、介質(zhì)層、隔離層和增益波導(dǎo)，所述介質(zhì)層置于基底層的裸露表面，所述隔離層介于所述介質(zhì)層和所述增益波導(dǎo)之間，其特征在于，所述增益波導(dǎo)靠近所述介質(zhì)層的一端為楔形且尖端朝向所述介質(zhì)層，所述增益波導(dǎo)的折射率大于所述隔離層的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的等離子激元增益波導(dǎo)，其特征在于，所述增益波導(dǎo)的楔形端的尖端和所述介質(zhì)層間的距離與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為0. Ol至0. I。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的等離子激元增益波導(dǎo)，其特征在于，所述增益波導(dǎo)的楔形端的尖端的角度范圍為10°至180°，并且所述增益波導(dǎo)的楔形端的楔形高度與波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為0. 05至I。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子激元增益波導(dǎo)，其特征在于，所述隔離層的折射率與所述增益波導(dǎo)的折射率的比值小于0. 75。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子激元增益波導(dǎo)，其特征在于，所述增益波導(dǎo)的材料為有機(jī)材料或無機(jī)材料；所述有機(jī)材料為含有熒光分子有機(jī)聚合物、高分子有機(jī)發(fā)光材料的任意一種；所述無機(jī)材料為硫化鎘、氧化鋅、氮化鎵、砷化鎵、硒化鎘中任意一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子激元增益波導(dǎo)，其特征在于，所述增益波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)為通過元素?fù)诫s形成的量子阱結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子激元增益波導(dǎo)，其特征在于，所述增益波導(dǎo)遠(yuǎn)離所述介質(zhì)層的一端為柱體，且橫向剖面為正方形、長方形、三角形、梯形中的任意一種。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子激元增益波導(dǎo)，其特征在于，所述增益波導(dǎo)的縱向剖面的寬度與波導(dǎo)中傳播的電磁波波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為0. I至2，縱向剖面的高度與波導(dǎo)中傳播的電磁波波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為0. 05至3。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的等離子激元增益波導(dǎo)，其特征在于，所述介質(zhì)層的厚度與波導(dǎo)中傳播的電磁波波導(dǎo)中傳播的電磁波波長的比值范圍為0. I至0. 5。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的等離子激元增益波導(dǎo)，其特征在于，所述介質(zhì)層的材料為石墨烯材料或金屬材料；所述金屬材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中任意一種或幾種的合金。
全文摘要
本發(fā)明涉及光波導(dǎo)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明提供一種等離子激元增益波導(dǎo)，包括基底層、介質(zhì)層、隔離層和增益波導(dǎo)，所述介質(zhì)層置于基底層的裸露表面，所述隔離層介于所述介質(zhì)層和所述增益波導(dǎo)之間，所述增益波導(dǎo)靠近所述介質(zhì)層的一端為楔形且尖端朝向所述介質(zhì)層，所述增益波導(dǎo)的折射率大于所述隔離層的折射率。本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于，在增益波導(dǎo)靠近介質(zhì)層一端為楔形結(jié)構(gòu)，固定楔形結(jié)構(gòu)的頂端和金屬的距離，保留低折射率的隔離層，可以通過調(diào)節(jié)楔形頂角的角度改善增益波導(dǎo)和金屬的等離子激元耦合。
文檔編號G02B6/10GK102662210SQ20121006109
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者劉爭暉, 徐科, 楊輝, 王建峰, 黃增立 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所, 蘇州納維科技有限公司