一種基于表面等離激元與介質模式耦合的復合型光纖的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種基于表面等離激元與介質模式耦合的復合型光纖，其包括：金屬納米線、基底層和介質納米線，金屬納米線和介質納米線均嵌于基底層中；介質納米線位于金屬納米線周圍與金屬納米線互不接觸，且介質納米線到金屬納米線的最小距離為所傳輸的光信號波長的0.01-0.1倍；金屬納米線的寬度及高度均為所傳輸的光信號波長的0.03-0.4倍。本發明利用金屬納米線與介質納米線的耦合顯著地將光場限制在金屬納米線周圍的低折射率狹縫區域，實現了對傳輸光場的亞波長約束，同時能夠保持較低的傳輸損耗。而且本發明的復合型光纖顯著的提升了傳統光纖的光場束縛能力，實現了長距離信號傳輸，能應用于各類集成光子器件的構建及相關領域。
【專利說明】一種基于表面等離激元與介質模式耦合的復合型光纖
【技術領域】
[0001]本發明屬于光波導【技術領域】，尤其涉及一種基于表面等離激元與介質模式耦合的復合型光纖。
【背景技術】
[0002]近年來，直徑在波長或亞波長級別的微納光纖，由于具有制作簡單、光傳輸損耗低、光場約束能力強以及表面場增強等諸多優點，在導波光學、非線性光學以及量子光學等基礎研究領域及微納光子器件研究方面具有廣泛的應用前景。但目前得到廣泛研究的微納光纖主要基于的是低折射率介質材料，其在光場束縛能力方面依然有一定的局限性。如需進一步提升其模場限制能力，則需要引入新的傳輸機制。
[0003]作為目前熱門的表面等離子激元的重要研究方向之一，表面等離子激元光子波導技術已經成為國內外專家學者競相追逐的研究熱點。表面等離子激元波導可以突破衍射極限的限制，將光場約束在幾十納米甚至更小的范圍內，并產生顯著的場增強效應。目前表面等離子激元光波導正以其獨特的模場限制能力、較長的傳輸距離，以及可以同時傳輸光電訊號、可調控等獨特的優勢在納米光子學領域顯示出巨大的潛力，并已在納米光子芯片、調制器、耦合器和開關、納米激光器、突破衍射極限的超分辨成像以及生物傳感器等方面有著重要的應用前景。加州大學伯克利分校的張翔研究小組最新研究發現在低折射率介質/金屬平面結構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，同時保持較低的傳輸損耗。該波導結構克服了傳統表面等離子體激元光波導結構無法平衡模場限制能力和傳輸損耗這兩個物理量的問題。
【發明內容】
[0004]為解決上述問題，本發明提供一種基于表面等離激元與介質模式耦合的復合型光纖，能夠具備強模場限制能力和極低傳輸損耗。
[0005]本發明的一種基于表面等離激元與介質模式耦合的復合型光纖，包括:金屬納米線、基底層和介質納米線；
[0006]所述金屬納米線和所述介質納米線均嵌于所述基底層中；
[0007]所述介質納米線位于所述金屬納米線周圍與所述金屬納米線互不接觸，且所述介質納米線到所述金屬納米線的最小距離為所傳輸的光信號波長的0.01-0.1倍；
[0008]所述金屬納米線的寬度及高度均為所傳輸的光信號波長的0.03-0.4倍；
[0009]所述介質納米線的寬度及高度均為所傳輸的光信號波長的0.03-0.4倍；
[0010]進一步的，所述介質納米線的數量為三個，且所述三個介質納米線之間互不接觸；所述三個介質納米線中的每兩個介質納米線之間的間距相等，該間距最小為所傳輸的光信號波長的0.2-0.8倍；
[0011]所述三個介質納米線的折射率相同，所述基底層的折射率與所述三個介質納米線的折射率比值小于0.75。[0012]進一步的，所述金屬納米線的材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種。
[0013]進一步的，所述金屬納米線的材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種的
I=1-Wl o
[0014]進一步的，所述金屬納米線的材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何兩種以上金屬構成的復合材料。
[0015]本發明的有益效果在于:
[0016]本發明的復合型光纖基于表面等離子激元模式與介質模式耦合的具有極低的傳輸損耗，并具有較強的模場限制能力。而且便于集成，可應用于構建各類緊湊光子器件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的基于表面等離激元與介質模式耦合的復合型光纖的結構示意圖；
[0018]圖2是本發明的實施例一的復合型光纖的結構示意圖；
[0019]圖3a是本發明的實施例二的復合型光纖所支持的表面等離子激元模式電場的第一種分布不意圖；
[0020]圖3b是本發明的實施例二的復合型光纖所支持的表面等離子激元模式電場的第二種分布示意圖；
[0021]圖3c是本發明的實施例二的復合型光纖所支持的表面等離子激元模式電場的第三種分布示意圖。
【具體實施方式】
[0022]圖1是本發明的復合型光纖的結構示意圖。如圖1所示，區域I為金屬納米線；區域2為金屬納米線上方(即沿Y軸正方向)的高折射率介質納米線；區域3為金屬納米線左下方(即沿X軸負方向)的高折射率介質納米線；區域4為金屬納米線右下方(即沿X軸正方向)的高折射率介質納米線；區域5為低折射率基底層。
[0023]圖2是本發明的實施例一的復合型光纖的結構示意圖。如圖2所示，201為圓柱形金屬納米線(端面為圓形)，其寬度為wm，高度為hm，折射率為nm ;202為201上方(即沿Y軸正方向)的圓柱形高折射率介質納米線(端面為圓形)，其折射率為nd，寬度為wd，高度為hd ；203為201左下方(即沿X軸負方向)的圓柱形高折射率介質納米線(端面為圓形)，其折射率為nd，寬度為wd，高度為hd ；204為201右下方(即沿X軸正方向)的圓柱形高折射率介質納米線(端面為圓形)，其折射率為nd，寬度為wd，高度為hd ;202、203、204彼此中心之間的距離均為g;205為低折射率基底層，折射率為n。。
[0024]在本實例中，傳輸的光信號的波長選定為1.55 U m, 201的材料為銀,在1.55iim波長處的折射率為0.1453+i*ll.3587 ;202、203和204的材料設為硅，其折射率為3.5 ;205的材料設為二氧化硅，其折射率為1.5。
[0025]在本實例中，201的寬度Wni=IOOnm,高度hflOOnm (對應半徑50nm) ; 202、203以及204的高度和寬度相等，均取值為200nm (對應半徑lOOnm)，且距離g=400nm。
[0026]使用全矢量有限元方法對本實施例中的上述波導結構進行仿真，計算得到1- 55 u m波長處表面等尚子激兀模式的模場分布及模式特性。
[0027]本發明的實施例二的復合型光纖支持三種表面等離子激元模式電場的分布。圖3a是本發明的實施例二的復合型光纖所支持的表面等離子激元模式電場的第一種分布示意圖；圖3b是本發明的實施例二的復合型光纖所支持的表面等離子激元模式電場的第二種分布示意圖；圖3c是本發明的實施例二的復合型光纖所支持的表面等離子激元模式電場的第三種分布示意圖。
[0028]該實施例二中，傳輸光信號的波長為1.55 時所述種基于表面等離激元與介質模式耦合的復合型光纖所支持的三種表面等離子激元模式電場的分布。所述種基于表面等離激元與介質模式耦合的復合型光纖支持的三種模式的光場均在金屬納米線和高折射率介質納米線之間的低折射率介質狹縫區域內有明顯的場增強效應。
[0029]模式特性是表征所述基于表面等離激元和介質模式耦合的復合型微納光纖的重要指標。其中模式特性參數主要包括有效折射率實部、傳輸距離和歸一化有效模場面積。
[0030]傳輸距離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:
[0031]L= A / [4 JI Im (neff) ](I)
[0032]其中Im(neff)為模式有效折射率的虛部，\為傳輸光信號的波長。
[0033]有效模場面積的計算表達式如下:
[0034]Aeff = ( / / W(r)dA)/ {max (ff (r))}(2)
[0035]其中，Aeff為有效模場面積，W(r)為表面等離子波的能流密度，max表示取最大值，W(r)的定義式為:
[0036]ff(r) = 0.5Re{d[w e (r)]/dw} |E(r) 12+0.5 U 01 H(r) |2(3)
[0037]其中，Re表示取實部，E (r)為表面等離子波的電場，H(r)為表面等離子波的磁場，e (r)為電導率，為真空磁導率。歸一化有效模場面積為(2)式計算得到的有效模場面積與衍射極限小孔面積之比。衍射極限小孔的面積定義如下:
[0038]A0 = A 2/4(4)
[0039]其中，Atl為衍射極限小孔面積，A為傳輸光信號的波長。因此，歸一化有效模場面積A為:
[0040]A = Aeff/Ag(5)
[0041]歸一化有效模場面積的大小表征模式的模場限制能力，該值小于I的情形對應亞波長的尺寸約束。
[0042]計算表明，圖3 (a)、圖3 (b)、圖3 (C)對應的三種模式的傳輸距離分別為26.4689微米、539.4951微米以及539.4955微米。其歸一化有效模場面積分別為0.0408,0.1599以`及0.1865，均小于1，說明所述復合型光纖所支持的三種模式均具有亞波長的模場限制能力以及較低的傳輸損耗。
[0043]當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
【權利要求】
1.一種基于表面等離激兀與介質模式稱合的復合型光纖，包括:金屬納米線、基底層和介質納米線，其特征在于: 所述金屬納米線和所述介質納米線均嵌于所述基底層中； 所述介質納米線位于所述金屬納米線周圍與所述金屬納米線互不接觸，且所述介質納米線到所述金屬納米線的最小距離為所傳輸的光信號波長的0.01-0.1倍； 所述金屬納米線的寬度及高度均為所傳輸的光信號波長的0.03-0.4倍； 所述介質納米線的寬度及高度均為所傳輸的光信號波長的0.03-0.4倍； 進一步的，所述介質納米線的數量為三個，且所述三個介質納米線之間互不接觸；所述三個介質納米線中的每兩個介質納米線之間的間距相等，該間距最小為所傳輸的光信號波長的0.2-0.8倍； 所述三個介質納米線的折射率相同，所述基底層的折射率與所述三個介質納米線的折射率比值小于0.75。
2.根據權利要求1所述的復合型光纖，其特征在于， 所述金屬納米線的材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種。
3.根據權利要求1所述的復合型光纖，其特征在于， 所述金屬納米線的材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何一種的合金。
4.根據權利要求1所述的復合型光纖，其特征在于， 所述金屬納米線的材料為金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻、鈀中的任何兩種以上金屬構成的復合材料。
【文檔編號】G02B6/02GK103616740SQ201310646127
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月4日 優先權日:2013年12月4日
【發明者】蘇亞林, 張磊, 郭世澤, 朱峻茂, 馬軍濤, 孟楠, 姚新磊, 孫武劍, 張宇 申請人:中國人民解放軍總參謀部第五十四研究所