混合三臂长程表面等离子波导和介质波导耦合器

摘要

本发明公开了属于集成光电子技术领域，涉及在光子集成、传感等领域应用的一种混合三臂长程表面等离子波导和介质波导耦合器。该耦合器是在周围介质材料基体上由金属条和介质条构成的三个臂组成，其中有一个或者两个臂为金属条，而其余两个臂或一个臂为介质条。三个臂的摆放结构为水平结构、垂直结构或是水平和垂直的组合结构。介质波导模式和LRSPP模式将发生相互转化，能量将在三个臂之间发生转移。混合耦合器周围的介质折射率比介质条的折射率低。其既能作为TE/TM光的偏振分束器件和长程表面等离子波的激励器件，又能通过加电来灵活地控制能量在不同臂之间的耦合，还可以作为折射率探测器。

说明书

技术领域

本发明属于集成光电子技术领域，特别涉及在光子集成、传感等领域应用的一种混合三臂长程表面等离子波导和介质波导耦合器。

背景技术

表面等离子波(Surface plasmon polariton(SPP))，图1是一种沿金属和介质界面传播的电磁场，图中，1为金属(或金属和介质的混合物)，2为金属周围介质，3为一个界面处的表面等离子体波，4为薄金属时上下表面耦合出长程表面等离子体波，5为薄金属时上下表面耦合出短程表面等离子体波。

在介质中，电磁场的振幅随着离开界面的距离指数衰减。SPP是一种表面波，它的场能量集中在金属1和介质界面2的附近。当金属膜较薄时，上下表面SPP发生耦合，产生出一种传播损耗较低的模式，即长程表面等离子体波3(LongRange Surface plasmon polariton(LRSPP))。当金属膜变为金属条时，LRSPP将在两个方向上受到限制，沿条的长度方向传播，从而形成一种区别于传统介质波导的新型长程表面等离子体波导(LRSPP波导，即薄的金属条)。若将LRSPP波导和介质波导放在一起，在满足一定的条件下，普通介质波导模式和LRSPP将发生耦合。此种新型的混合耦合器由于其具有一些独特的性能，将在集成光子器件，光通信，光传感方面有着广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提出了一种混合三臂长程表面等离子波导和介质波导耦合器，其特征在于，所述混合三臂长程表面等离子波导和介质波导耦合器是在周围介质材料基体上由金属条和介质条构成的三个臂组成，其中有一个或者两个臂为金属条，而其余两个臂或一个臂为介质条。

所述三个臂中有一个或者两个臂还为金属陶瓷条，而其余两个臂或一个臂为介质条。

所述三个臂的摆放结构为(1)三个臂平行放置在一个水平平面内的水平结构；(2)三个臂平行放置在一个垂直平面内的垂直结构；或是(3)水平和垂直的组合结构。

所述三个臂的臂间距相等或不等。

所述金属条为金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种、或是各自的合金、或是不同金属层复合的金属层。

所述周围介质材料基体和介质条的材料选用树脂材料，SiO₂、SiO、MgF、Al₂O₃、Si、GaAs或InP。

所述金属条的宽度为10nm～40μm，厚度为5nm～500nm；所述介质条尺寸范围和金属条相同，其折射率为1.2～3.8；混合耦合器周围的介质折射率比介质条的折射率低。

所述三个臂中传输波的模式是TM偏振和TE偏振模式。

所述金属条的LRSPP波导(长程表面等离子体波导)传导的是TM偏振模式，所以介质波导模式和LRSPP波导的能量耦合只限于TM偏振，而对于从介质条输入TE偏振波，仍沿该介质条传输，不会耦合到其他臂。

所述介质波导模式和LRSPP波导模式将发生相互转化，能量将在三个臂之间发生转移。

所述介质波导TM模式(非TE模式)和LRSPP模式将发生相互转化，从而可以实现TM/TE的偏振光分束器。

所述三个臂中有一个或者两个臂为可通电的金属条，而其余两个臂或一个臂为介质条，介质波导模式和LRSPP模式将发生相互转化，对金属条通电可以改变三个臂间能量的耦合，从而实现电控的耦合器。

本发明的有益效果是该耦合器实现了由普通TM偏振介质波导模式和LRSPP模式的相互转化，从而实现了一种新型的集成LRSPP激励方式；由于耦合仅发生在TM偏振模式，因此，可实现新型的偏振光分束器；又由于金属条可以看作是电导线，这样就可以通过电控来实现光在输出端的控制；此外，输出端各个臂的功率和上层介质折射率有关，因此，可能实现一种可集成的、高灵敏度的折射率传感器。

由于本发明是由LRSPP波导和介质波导组成的三个臂的混合耦合器，因此既能作为TE/TM光的偏振分束器件和LRSPP的激励器件，又能通过加电来灵活地控制能量在不同臂之间的耦合，还可以作为折射率探测器。因此，这种新型的混合耦合器将在集成光子器件，光通信，光传感方面有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为表面等离子体波的概念图：1.金属(或金属和介质的混合物)，2.金属周围介质，3.一个界面处的表面等离子体波，4.薄金属时上下表面耦合出长程表面等离子体波，5.薄金属时上下表面耦合出短程表面等离子体波。

图2为三臂混合耦合器结构：

第一个数字代表结构类型：1表示水平结构，2表示垂直结构，3表示水平和垂直结构的结合

第二个数字代表第几根条：1表示第一根，2表示第二根，3表示第三根

第三个数字代表条的类型：1表示介质条，2代表金属条或金属陶瓷条

图3为磁场随传播方向发生耦合，由左边的介质臂耦合到中间的LRSPP臂，再耦合到右边的介质臂。111代表水平结构的第1根为介质条，122代表水平结构第2根为金属条，131代表水平结构第3根为介质条

图4为基于混合耦合器的偏振光分束器：10.周围介质SiO₂，111.Al₂O₃条，122.Au条，131.Al₂O₃条，实线箭头代表TM光，虚线箭头代表TE光。

图5为基于混合耦合器的电控光开关：10.周围介质SiO₂，111.Al₂O₃条，122.Au条，131.Al₂O₃条，实线箭头代表122不加电时的光路，虚线箭头代表122加电时的光路。

图6为基于混合耦合器的可集成的LRSPP的方法：10.周围介质SiO₂，111.Al₂O₃条，122.Au条，131.Al₂O₃条，实线箭头代表122不加电时的光路，虚线箭头代表122加电时的光路。

图7为基于混合耦合器的可集成LRSPP折射率传感器：11.低折射率树脂材料CYTOP，111.Al₂O₃条，122.Au条，131.Al₂O₃条，12.被探测物。

具体实施方式

本发明提出的一种混合三臂长程表面等离子波导和介质波导耦合器是由在周围介质材料基体上由金属条和介质条构成的三个臂组成。其中有一个或者两个臂为金属条，而其余两个臂或一个臂为介质条。

在图2所示的三臂混合耦合器结构图中，以颜色分：深色是金属条，浅色是介质条；以数字分：第一个数字代表结构类型，其中1表示水平结构，2表示垂直结构，3表示水平和垂直结构的结合。第二个数字代表第几根条，其中1表示第一根，2表示第二根，3表示第三根。第三个数字代表条的类型，其中1表示介质条，2代表金属条或金属陶瓷条。例如，111代表水平结构的第1根为介质条，122代表水平结构第2根为金属条，131代表水平结构的第3根为介质条。图2所示的是LRSPP波导(金属条)和普通介质波导(介质条)形成三个臂的混和耦合器结构。图中(a～d)所示表示水平结构，(e～h)所示表示垂直结构，(i～1)所示表示水平和垂直结构的结合，其中LRSPP波导可以是一个，也可以是两个，并且三个臂的分布可以是水平或者垂直的，其相对位置(即臂间距)也可以不同。

在三个臂的宽度和厚度满足一定的条件的情况下，由LRSPP波导和介质波导传导的模式之间将发生耦合，从而能量在三个臂之间转移(如图3所示)。

对于图2中(a)的结构，当TM偏振的光场由左边的介质条111输入，在传播一定距离以后，能量经过中间的金属条122全部耦合到最右边的介质条131。金属条的LRSPP波导(长程表面等离子体波导)传导的是TM偏振模式，所以介质波导模式和LRSPP波导的能量耦合只限于TM偏振，而对于从介质条输入TE偏振波，仍沿该介质条传输，不会耦合到其他臂。因此，利用两种偏振态光对于混和耦合器的不同的传输特性，可以很容易地实现一种新型的偏振光分束器件。由于其中有一个或者两个臂是金属条，除了作为LRSPP波导外，还可以看作是电的金属导线。这样就可以通过对金属导线加电来控制TM偏振光在三个臂之间的耦合，实现对TM偏振光输出的控制。此外，当中间臂的上层介质折射率发生变化的时候，从三个臂耦合出来的光功率将发生变化，这样就为我们实现一种高灵敏度折射率传感器提供了可能。

根据上述原理，首先需要进行结构的设计，确定金属条和介质条的材料、宽度、厚度和它们之间的距离，以及周围介质材料，使得该结构中的金条传导的LRSPP模式和介质条传导的模式能发生耦合。根据设计的结果，在所选择的周围介质材料上采用溅射或蒸镀的方法，并结合基本半导体光刻、去胶等工艺制作出符合要求的金属条。介质条可以采用类似于金属条的方法制作，也可以通过离子交换的办法来制作介质波导。

实施例1

图4所示为三臂长程表面等离子波导和介质波导混合耦合器的基本结构图。选择周围介质材料10为SiO₂，在其上通过溅射或蒸镀和光刻的方法制作出2μm宽、70nm厚的Au条122和2μm宽、393nm厚的Al₂O₃条111、131。当入射的TM(实线箭头)和TE(虚线箭头)光同时从左边的介质臂111输入时，介质波导模式将转化为中间金条的LRSPP模式，然后再耦合到右边的介质波导中(如图3所示)。而TE光则无法发生耦合，直接通过左边的介质条。因此，通过此混合耦合器能成功分离TM和TE光，从而作为一种可集成的偏振分束器。

本实施例中的Au条可以换成银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种或者是他们的合金，也可以是金属陶瓷条，即上述金属和合金和SiO₂、SiO、MgF、Al₂O₃、Si、GaAs、InP等介质的混合物。介质条和周围的介质材料可换成树脂材料，SiO₂、SiO、MgF、Al₂O₃、Si、GaAs、InP等，但要求介质条的折射率大于周围介质的折射率。当改变材料时，金属(陶瓷)条和介质条的几何参数要做一定的调整。

实施例2

图5所示的三臂长程表面等离子波导和介质波导混合耦合器的基本结构与实施例1的图4所示基本相同。选择周围介质材料10为SiO₂，在其上通过溅射或蒸镀和光刻的方法制作出2μm宽、70nm厚的Au条122和2μm宽、393nm厚的Al₂O₃条111、131。当中间的金条122不加电的时候，左边的介质波导模式将转化为中间金条的LRSPP模式，然后再耦合到右边的介质波导中(如实线箭头所示)。而当中间金条加电的情况下，由于导线发热使得周围树脂材料BCB在金条周围区域的折射率发生变化，从而使得LRSPP模式和介质波导模式发生变化。在加电的情况下，光波不再耦合到LRSPP波导，而沿虚线箭头所示沿左边介质波导输出。因此，可以通过对中间的金条加电来控制能量的输出。这时混合耦合器可以作为调制器或者分束器使用。材料更换与实施例1同。

实施例3

图6所示的三臂长程表面等离子波导和介质波导混合耦合器与实施例1的基本结构相同。选择周围介质材料10为SiO₂，在其上通过溅射或蒸镀和光刻的方法制作出2μm宽、70nm厚的Au条122、132和2μm宽、393nm厚的Al₂O₃条111。当介质波导TM模式由左边的介质条输入时，由于介质波导模式和LRSPP的耦合，从而激励起LRSPP沿右边的金条输出。这样就成功地激励起LRSPP。材料更换与实施例1同。

实施例4

图7所示的三臂长程表面等离子波导和介质波导混合耦合器与实施例1的基本结构相同。选择周围介质材料11为低折射率树脂材料CYTOP(一种参F的树脂)，在其上通过溅射或蒸镀和光刻的方法制作出2μm宽、60nm厚的Au条122和2μm宽、360nm厚的Al₂O₃条111、131。金条上方为被探测物质，其折射率将随物理的(温度、湿度、压力、电磁场等)或化学的因素(生化反应)发生变化时，从左边的介质臂耦合到右边介质臂的能量将随着中间被探测物质的折射率变化而发生变化。因此，根据右介质臂输出光强度的变化就可以获知被探测参数变化的信息，材料更换与实施例1同。