管小偉，吳 昊，戴道鋅

(浙江大學(xué)光電信息工程學(xué)系現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光及電磁波研究中心，浙江杭州310058)

1 引言

實(shí)現(xiàn)超高集成度一直是集成光子器件領(lǐng)域追求的重要目標(biāo)。為此，人們發(fā)展了多種納米光波導(dǎo)。常見(jiàn)的納米光波導(dǎo)有3種:硅納米線光波導(dǎo)［1-2］、光子晶體光波導(dǎo)［3］、表面等離子體光波導(dǎo)［4-23］。其中，表面等離子體光波導(dǎo)因其可突破衍射極限且有望在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)和光信號(hào)的處理而備受關(guān)注［19］。表面等離子體激元是外部電磁場(chǎng)誘導(dǎo)金屬表面自由電子的集體共振，產(chǎn)生沿金屬-介質(zhì)界面?zhèn)鬏數(shù)谋砻娌?，其具有亞波長(zhǎng)局域、近場(chǎng)增強(qiáng)和新穎色散的特性，已在亞波長(zhǎng)光子學(xué)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、激光光學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［17-18］。特別地，在集成光子領(lǐng)域，近十年來(lái)人們已經(jīng)提出了一些可將光場(chǎng)約束于納米尺度的表面等離子體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，如金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)［14-15］、金屬Ⅴ型槽結(jié)構(gòu)［15-16。然而，這些納米光波導(dǎo)傳輸損耗很大，即光傳輸距離極短(僅為幾個(gè)微米量級(jí))。這無(wú)疑在很大程度上限制了表面等離子體納米光波導(dǎo)的應(yīng)用范圍。因此，如何構(gòu)造一種具有超強(qiáng)光場(chǎng)約束能力的低損耗表面等離子體光波導(dǎo)成為該領(lǐng)域的一個(gè)難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

近年來(lái)，混合表面等離子體納米光波導(dǎo)備受關(guān)注［24-44］。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校 X.Zhang研究組于2008年提出了一種基于圓形介質(zhì)納米線的混合表面等離子體納米光波導(dǎo)(在金屬平板上鍍一層低折射率納米薄膜，然后將圓形介質(zhì)納米線置于平板上)，實(shí)現(xiàn)了超強(qiáng)光場(chǎng)約束和較低損耗［24］，并在實(shí)驗(yàn)上利用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了亞微米尺寸的激光器［25］。我們?cè)岢隽艘环N帶有金屬帽(metal cap)的硅納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)［26］:在方形硅納米光波導(dǎo)上方有SiO2薄膜以及金屬薄膜。之后研究發(fā)現(xiàn):當(dāng)SiO2厚度減小至幾十納米時(shí)，便會(huì)獲得一種新型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其光場(chǎng)主要被約束于低折射率的SiO2中，實(shí)現(xiàn)了小于100 nm的光場(chǎng)約束能力，且傳輸距離達(dá)102μm量級(jí)，比此前的表面等離子體納米光波導(dǎo)提高了1個(gè)數(shù)量級(jí)以上［27］。

從集成光子器件的角度來(lái)看，這種平面結(jié)構(gòu)的硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)會(huì)更適合、也更易于芯片集成，在面向光電子集成應(yīng)用時(shí)更具有優(yōu)勢(shì)，且其制作工藝還具有“CMOS工藝兼容性”，有望與CMOS微電子線路集成于同一芯片，便于大規(guī)模生產(chǎn)。同時(shí)，它還與當(dāng)前蓬勃發(fā)展的硅光子集成相兼容，便于實(shí)現(xiàn)兩者的無(wú)縫集成。這些無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)無(wú)疑使得硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)及集成器件研究具有重要意義。

混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的機(jī)制是利用金屬-介質(zhì)表面等離子體效應(yīng)以及高-低折射率介質(zhì)界面電場(chǎng)不連續(xù)效應(yīng)形成一種“混合模式”。研究表明:混合表面等離子體納米光波導(dǎo)能獲得超小彎曲(亞波長(zhǎng)量級(jí))［45-46］，從而使亞微米量級(jí)的光子功能器件成為可能，如耦合器［47-48］、功分器［49-50］以及諧振器［51-53］。注意到硅基混合表面等離子體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有顯著的雙折射效應(yīng)，由此可實(shí)現(xiàn)超小型偏振相關(guān)器件，包括:起偏器［54-55］、偏振分束器［56-57］和偏振旋轉(zhuǎn)器［58-59］等?；旌媳砻娴入x子體納米光波導(dǎo)在其低折射率納米薄層中具有顯著的光場(chǎng)增強(qiáng)，從而使之在非線性光學(xué)［60］和高效率光調(diào)制器［61-62］等方面也具有很好的應(yīng)用前景。

此外，盡管混合表面等離子體納米光波導(dǎo)已具有較低損耗，但如何進(jìn)一步減小損耗從而促進(jìn)其在光子集成中的應(yīng)用仍備受關(guān)注。其中，引入增益介質(zhì)是一種值得嘗試的方法，例如，可在混合表面等離子體納米光波導(dǎo)高折射率部分或低折射率部分引入增益介質(zhì)(如摻鉺的SiO2、量子點(diǎn)或硅納米晶等)。

本文回顧和總結(jié)了我們近年來(lái)在硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)及器件方面的研究進(jìn)展。首先介紹并討論了幾種硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及其重要物理特性，包括TM型、TE型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu);然后展示了基于這些波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的功能器件，包括:方向耦合器、功分器、偏振分束器和諧振器等。最后探討了硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)與硅納米線光波導(dǎo)的耦合問(wèn)題、以及如何在混合表面等離子體納米光波導(dǎo)中引入增益介質(zhì)對(duì)其損耗進(jìn)行補(bǔ)償。

2 硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與特性

2.1 TM型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)

圖1(a)給出了一種TM型混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)橫截面示意圖。該結(jié)構(gòu)由高折射率介質(zhì)層、金屬層以及它們之間的低折射率介質(zhì)層組成，其中低折射率介質(zhì)層的厚度小于100 nm。在光通信波段，高折射率介質(zhì)可選擇硅或Ⅲ～Ⅴ族半導(dǎo)體，而低折射率介質(zhì)可選擇SiO2、Al2O3、SiN或聚合物材料?？紤]到CMOS工藝兼容性，在此選用Si、SiO2分別作為高折射率介質(zhì)、低折射率介質(zhì)，而金屬材料選用銀。硅、SiO2和銀的折射率分別為:3.455、1.445、0.145 3+11.3587i［24］(@ λ =1 550 nm)。圖 1(b)為 λ =1 550 nm時(shí)該納米光波導(dǎo)TM基模TM0的Ey電場(chǎng)分布，其結(jié)構(gòu)參數(shù)為 w=200 nm、hm=100 nm、hslot=50 nm、hrib=H=300 nm。從場(chǎng)分布圖可以看出，光場(chǎng)在低折射率區(qū)域中存在顯著的增強(qiáng)。其場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)制如圖1(c)所示。實(shí)際上，當(dāng)SiO2薄膜較厚時(shí)(如＞500 nm)，該波導(dǎo)存在兩種模式:其一是金屬與SiO2介質(zhì)界面的表面等離子體模式，該模式場(chǎng)強(qiáng)在金屬-介質(zhì)界面處最強(qiáng)，在金屬和介質(zhì)內(nèi)部指數(shù)衰減;其二是硅納米線光波導(dǎo)模式，其光場(chǎng)主要限制于高折射率區(qū)域(即硅芯層)，由于Si-SiO2界面電場(chǎng)不連續(xù)，其電場(chǎng)分量Ey在SiO2區(qū)域也存在增強(qiáng)［63］。對(duì)于SiO2層較厚的情況，通常激發(fā)的是第二個(gè)模式。此時(shí)金屬常作為加熱電極，進(jìn)而對(duì)硅納米線光波導(dǎo)光傳輸位相進(jìn)行調(diào)制。而當(dāng)SiO2層逐漸變薄至一定程度(如＜100 nm)，兩種模式合成為一種模式，導(dǎo)致光場(chǎng)在SiO2層明顯增強(qiáng)。這就是稱其為“混合光波導(dǎo)”的原因。由于混合表面等離子體納米光波導(dǎo)僅在單個(gè)界面上具有表面等離子體效應(yīng)，金屬吸收較小，因而其傳輸損耗較低，使得未來(lái)實(shí)現(xiàn)納米尺度的混合表面等離子體集成光子器件及回路成為可能。

圖1 TM型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)Fig.1 TM-type silicon hybrid nanoplasmonic waveguide

要實(shí)現(xiàn)超高集成度光子集成，光波導(dǎo)還需具備超強(qiáng)的彎曲能力。圖2(a)～2(b)給出了硅基混合表面離子體納米光波導(dǎo)特性隨彎曲半徑減小而變化的情況，分別是有效折射率neff實(shí)部和虛部。由圖2(a)可見(jiàn)，當(dāng)彎曲半徑從2 μm減小到0.5 μm時(shí)，等效折射率neff實(shí)部逐漸減小，這主要是其模場(chǎng)分布變化所導(dǎo)致的。而對(duì)于其有效折射率虛部，由圖2(b)可見(jiàn):當(dāng)彎曲半徑R小于某值(R0)時(shí)，其有效折射率虛部隨著彎曲半徑減小而顯著增大;而當(dāng)R＞R0時(shí)，其有效折射率虛部幾乎不變，此時(shí)損耗來(lái)源主要是金屬吸收引起的本征損耗。當(dāng)R＜R0時(shí)，彎曲波導(dǎo)的泄露為主要損耗來(lái)源，該損耗隨彎曲半徑的減小迅速增大［64］。正因?yàn)檫@兩種損耗來(lái)源的綜合作用，存在一個(gè)對(duì)應(yīng)于90°彎曲波導(dǎo)最低總損耗的最優(yōu)彎曲半徑Ropt，如圖2(c)所示。例如，當(dāng)波導(dǎo)寬度w=400 nm時(shí)，最優(yōu)彎曲半徑Ropt≈800 nm。圖2(d)給出了此時(shí)硅基混合表面等離子體彎曲波導(dǎo)基模TM0的場(chǎng)分布Ey(x，y)，可見(jiàn)光場(chǎng)仍然能夠被很好地限制在波導(dǎo)中。應(yīng)當(dāng)注意的是，硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)尺寸很小，其制備工藝存在一定難度。例如，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)由于金屬線與介質(zhì)接觸面積很小，其附著力較弱，因而在制作的過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生金屬脫落的問(wèn)題。

圖2 硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)彎曲特性Fig.2 Bending characteristics for the TM-type silicon hybrid nanoplasmonic waveguides

圖3 制作的硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)SEM圖Fig.3 SEM image of a TM-type silicon hybrid nanoplasmonic waveguide

圖3給出了制作的硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)SEM圖。由圖可見(jiàn)，250 nm寬的銀納米線在制作過(guò)程中有部分脫落。為了解決這一問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)TM型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)(如圖4(a)所示)，接下來(lái)對(duì)此進(jìn)行介紹。

2.2 改進(jìn)TM型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)

圖4(a)為一種改進(jìn)的硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)中，整個(gè)波導(dǎo)上方均覆蓋有金屬薄膜，由此金屬與介質(zhì)的接觸面積大大增加，其粘合更加牢固。圖4(b)給出了基模TM0的Ey電場(chǎng)分布，可以看出在SiO2區(qū)域也存在顯著的光場(chǎng)增強(qiáng)，與圖1(b)所示光場(chǎng)分布相似。圖4(c)給出了所制作的改進(jìn)TM型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)陣列俯視圖。在硅材料與金屬銀薄膜之間填充的是PMMA材料。光波導(dǎo)兩頭包含有光柵耦合器，以便于與光纖耦合。在此實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于金屬與介質(zhì)的接觸面積很大，未觀察到金屬脫落的現(xiàn)象。

圖4 改進(jìn)TM型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)Fig.4 Improved TM-type silicon hybrid nanoplasmonic waveguides

圖5(a)～(d)給出了對(duì)改進(jìn)TM型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的進(jìn)一步分析，包括其基模TM0模的有效折射率(neff)實(shí)部、有效模式面積(Aeff)、金屬區(qū)域的功率限制因子(Γmetal)和模式損耗。在此，Aeff的定義如下［24］:

圖5 改進(jìn)TM型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)特性Fig.5 Characteristics of the improved TM-type silicon hybrid nanoplasmonic waveguides

式中，P(x，y)是能流密度，即坡印廷矢量，其可以表示為:P(x，y)=E(x，y)×H(x，y)。由圖可見(jiàn)，其有效折射率實(shí)部隨波導(dǎo)寬度的增大而增大，而Aeff隨寬度變化出現(xiàn)一個(gè)極小值點(diǎn)。這是因?yàn)?當(dāng)光波導(dǎo)寬度很小時(shí)(如＜50 nm)，隨著波導(dǎo)寬度的減小，改進(jìn)硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)限制變?nèi)?，更多的光?chǎng)分布于低折射率包層區(qū)域，因而其neff實(shí)部變小、Aeff變大;而當(dāng)波導(dǎo)寬度較大時(shí)(如＞400 nm)，隨波導(dǎo)寬度的增大，更多光場(chǎng)被限制于高折射率的硅芯層區(qū)域，導(dǎo)致其neff變大，而Aeff也隨之增大。Aeff出現(xiàn)極小值點(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)于波導(dǎo)具有最好的光場(chǎng)約束能力，此時(shí)也正好對(duì)應(yīng)于金屬區(qū)域的功率限制因子Γmetal最大、損耗最大(如圖5(c)～(d)所示)。Γmetal為負(fù)值，表示波導(dǎo)的焦耳損耗［65］。同時(shí)，SiO2層厚度hslot和金屬倒脊形層的高度hm對(duì)損耗也有影響，計(jì)算表明:SiO2層越厚、金屬倒脊形層越薄，則損耗越小。但是，當(dāng)SiO2納米層變厚或倒脊形層變薄后，光場(chǎng)的有效面積增大，波導(dǎo)對(duì)光場(chǎng)的限制能力變差。因此，在選擇SiO2層厚度和金屬倒脊形層厚度時(shí)，可綜合考慮對(duì)波導(dǎo)損耗和有效場(chǎng)面積的要求。

2.3 TE型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)

圖6(a)給出了適用于TE偏振光的硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖，它是由高折射率的硅脊形區(qū)域、頂部金屬區(qū)域以及位于兩者之間的低折射率SiO2區(qū)域組成，其中硅脊形區(qū)域兩側(cè)的SiO2區(qū)域僅為1～100 nm尺度。為了降低金屬吸收損耗，頂部SiO2層較厚(如100 nm)。圖6(b)給出了這種光波導(dǎo)的TE基模場(chǎng)主要電場(chǎng)分量Ex(x，y)的場(chǎng)分布。在此例中，硅波導(dǎo)寬度wSi=50 nm、SiO2厚度wSiO2=10 nm。由此圖可見(jiàn)，即使波導(dǎo)寬度小至50 nm，光場(chǎng)依然可以被很好地限制在波導(dǎo)中，理論計(jì)算還表明此時(shí)的傳輸距離大于20 μm。從其光場(chǎng)分布還可以看出，硅兩側(cè)的SiO2納米薄層存在顯著的光場(chǎng)增強(qiáng)，相應(yīng)的有效區(qū)域面積Aeff只有0.007 μm2。倘若進(jìn)一步減小SiO2納米薄層的厚度，可獲得更小的有效區(qū)域面積。若納米薄層采用非線性介質(zhì)材料(如電光材料)，則可顯著增強(qiáng)非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)控光子器件。

圖6 TE型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)Fig.6 TE-type silicon hybrid nanoplasmonic waveguides

3 硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)集成器件

利用硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對(duì)光場(chǎng)的超強(qiáng)限制，可以實(shí)現(xiàn)亞微米尺寸的耦合器、功分器、偏振分束器和諧振器等光子器件。

3.1 方向耦合器

方向耦合器是構(gòu)成馬赫曾德干涉儀(MZI)、微環(huán)諧振器等功能器件的基本單元。為此，采用改進(jìn)TM型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)，設(shè)計(jì)并制作了一系列具有不同耦合區(qū)長(zhǎng)度的方向耦合器，如圖7(a)耦合器顯微鏡照片(俯視)和圖7(b)耦合區(qū)截面示意圖所示。在此，方向耦合器的波導(dǎo)寬度為w1=w2=220 nm、間距wgap=170 nm。圖7(c)給出了這些方向耦合器交叉耦合端和直通端輸出功率比的測(cè)試與仿真結(jié)果，可見(jiàn)測(cè)試與仿真吻合較好。通過(guò)選擇不同耦合區(qū)長(zhǎng)度，可獲得不同的耦合比，這與傳統(tǒng)純介質(zhì)方向耦合器的特性相似。例如，當(dāng)其耦合區(qū)長(zhǎng)度為3.3 μm時(shí)，則獲得3 dB耦合器。

圖7 基于改進(jìn)TM型硅基表面混合等離子體納米光波導(dǎo)的方向耦合器(DC)Fig.7 Directional couplers(DCs)based on the improved TM-type silicon hybrid nanoplasmonic waveguides

3.2 功分器

功分器也是光通信應(yīng)用中的基本器件之一，利用硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)設(shè)計(jì)了幾種超小型功分器，分別基于方向耦合器、多模干涉(MMI)和Y分支等。對(duì)于方向耦合器形式，如上節(jié)所述，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)方便、易于通過(guò)調(diào)節(jié)耦合區(qū)長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出端功分比調(diào)節(jié)。圖8(a)給出了一個(gè)基于方向耦合器的3 dB功分器，器件總長(zhǎng)度僅為3 μm。

利用1×2 MMI也可實(shí)現(xiàn)3 dB功分器，如圖8(b)所示。在此，采用對(duì)稱干涉結(jié)構(gòu)。干涉區(qū)寬度wMMI=650 nm，其對(duì)應(yīng)的多模干涉長(zhǎng)度LMMI=530 nm。為了減小模式不匹配引入的損耗，輸入輸出部分選擇引入了寬度從100 nm增加至200 nm的錐形結(jié)構(gòu)(其長(zhǎng)度為500 nm)。數(shù)值計(jì)算表明，該1×2 MMI功分器中心波長(zhǎng)的傳輸效率達(dá)91%(損耗主要來(lái)自于金屬吸收損耗以及MMI部分與輸出波導(dǎo)連接界面的反射)，在1.25～1.7 μm波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳輸效率均為80%以上。

對(duì)稱型Y分支也是實(shí)現(xiàn)3 dB功分器的常見(jiàn)形式。圖8(c)為基于硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的1×2 Y分支結(jié)構(gòu)中光場(chǎng)傳輸圖，其中S型彎曲波導(dǎo)長(zhǎng)度Lsb=900 nm、輸出波導(dǎo)間隔D=600 nm。

圖8 幾種不同結(jié)構(gòu)的基于硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的3 dB功分器的光傳輸圖(平均場(chǎng))Fig.8 Light propagation(average)in several types of 3 dB power splitters based on silicon hybrid nanoplasmonic waveguides

從以上設(shè)計(jì)可以看出，利用硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度僅為1～3 μm的超小型功分器。若需更多通道，則可采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)［49］。

3.3 硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)中的TE

模式特性以及相關(guān)超小型偏振分束器

硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中不僅存在TM模式，在波導(dǎo)較寬時(shí) (大于200 nm)，還會(huì)存在類(lèi)似于硅納米線波導(dǎo)中的TE模式。圖9給出了寬度均約為300 nm的硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)(HPW)和硅納米線波導(dǎo)(NM)的TE基模和TM基模場(chǎng)分布圖。由圖可以看出，HPW中的TE模式與NW中的TE模式差別很小，而其TM模式的場(chǎng)主要集中的低折射率介質(zhì)層。實(shí)際上，HPW中的TE模式由于幾乎不受金屬的影響，可以由普通的硅納米線波導(dǎo)進(jìn)行激發(fā)，而其傳輸損耗非常小，通常比TM模式的傳輸損耗小一個(gè)量級(jí)或更小。相比于普通硅納米線波導(dǎo)，該TE模對(duì)光場(chǎng)并沒(méi)有更強(qiáng)的限制，因此此處不討論其增強(qiáng)效應(yīng)，而只以TM模式為參考，來(lái)考察硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的偏振相關(guān)性，并藉此設(shè)計(jì)超小型的偏振分束器。

圖9 硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)(HPW，w=310 nm)和硅納米線波導(dǎo)(NW，w=280 nm)中TM0(Ey)和TE0(Ex)基模的主要電場(chǎng)分量場(chǎng)分布圖Fig.9 Field distributions for TM0(Ey)and TE0(Ex)fundamental modes in a silicon hybrid nanoplasmonic waveguide with width 310 nm and a silicon nanowire with width 280 nm

光子集成線路時(shí)常涉及偏振調(diào)控問(wèn)題，其中偏振分束器(PBS)是最重要的器件之一?；趥鹘y(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)(如硅波導(dǎo)、磷化銦波導(dǎo)等)的偏振分束器(PBS)尺寸往往在數(shù)十微米量級(jí)或更大［66-69］。相比之下，采用硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)可獲得尺寸僅為數(shù)微米的超小型PBS［70］，如圖 10(a)所示。

這種PBS采用由硅基HPW與硅基NW組成的非對(duì)稱方向耦合結(jié)構(gòu)。我們注意到，硅基HPW與硅基NW兩者的TM基模有效折射率差異很大，而TE模有效折射率甚為接近。因此，通過(guò)合理設(shè)計(jì)兩波導(dǎo)的寬度(w1=310 nm，w2=280 nm，如圖9所示)，可使兩者的TE基模滿足相位匹配條件而TM基模存在嚴(yán)重的相位失配。此時(shí)，TM偏振幾乎沒(méi)有耦合而TE偏振可發(fā)生近乎100%的交叉耦合，從而實(shí)現(xiàn)兩偏振光的分離。為了進(jìn)一步提高消光比，在耦合區(qū)末端引入了一個(gè)基于硅基HPW的90度超小彎曲(半徑R=1.3 μm)?？紤]到制作工藝難度，選取較大的波導(dǎo)間隔(～200 nm)，對(duì)應(yīng)的耦合區(qū)長(zhǎng)度Lc=2.2 μm。此時(shí)，直通端TM偏振光和交叉端TE偏振光的消光比(ER)分別為13和14 dB，TM、TE偏振的插入損耗分別為0.66和0.025 dB。圖10(b)和圖10(c)分別給出了TE、TM偏振光輸入時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)的PBS的光場(chǎng)傳輸圖。可見(jiàn)，兩偏振光被有效地分離。理論分析還表明:該P(yáng)BS還具有超大帶寬(～120 nm@ER＞10 dB)和較大的工藝容差。

圖10 基于硅基混合表面混合等離子體納米光波導(dǎo)的超小型偏振分束器(PBS)Fig.10 Proposed ultra-compact polarization beam splitter(PBS)based on silicon hybrid nanoplasmonic waveguides

圖10(d)給出了所制作PBS的SEM圖片。

3.4 亞微米諧振腔

光學(xué)諧振腔是光子集成線路里常用的器件，其應(yīng)用范圍包括光源［71］、光濾波器［72］、調(diào)制器或光開(kāi)關(guān)［73］、光傳感［74］以及非線性光學(xué)［75］等。利用硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的超強(qiáng)彎曲能力，可實(shí)現(xiàn)亞微米諧振器［52］，如圖11(a)所示。該亞微米諧振器采用了一條純介質(zhì)波導(dǎo)進(jìn)行耦合，將介質(zhì)波導(dǎo)及器件同混合表面等離子體波導(dǎo)和器件有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，從而可通過(guò)該純介質(zhì)波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)距離的光互連，且不需要額外的模式轉(zhuǎn)換。圖11(b)給出了耦合間距wg分別為60、80、100和120 nm時(shí)彎曲半徑為R=800 nm的環(huán)形諧振器的頻譜響應(yīng)。由于色散的存在，可以發(fā)現(xiàn)自由波譜范圍(FSR)并不均勻，波長(zhǎng)1 550 nm附近的FSR約為148 nm。圖11(c)給出了該亞微米腔在諧振波長(zhǎng)(1 423.67 nm)、非諧振波長(zhǎng)(1 437 nm)時(shí)的電場(chǎng)Ey(x，z)的分布圖。可以看出，即使彎曲半徑僅為R=800 nm，光場(chǎng)也可很好地被限制在諧振腔中。采用這種硅基混合表面等離子體諧振腔，還可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)超小型有源混合表面等離子體光電器件。例如，通過(guò)引入高電光系數(shù)的電光聚合物［76］可以實(shí)現(xiàn)高效的光調(diào)制器或光開(kāi)關(guān);若引入增益介質(zhì)，則可能實(shí)現(xiàn)亞微米尺度的激光器。

圖11 基于硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的納米環(huán)形諧振腔Fig.11 Nano-donut resonators based on silicon hybrid nanoplasmonic waveguides

圖12 基于硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的微盤(pán)諧振腔Fig.12 Micro-disk resonator based on silicon hybrid nanoplasmonic waveguides

除微環(huán)外，微盤(pán)也是構(gòu)成諧振腔一種常用結(jié)構(gòu)，且制作更簡(jiǎn)單。圖12(a)給出了基于改進(jìn)TM型硅基表面混合等離子體納米光波導(dǎo)的微盤(pán)諧振腔的顯微鏡照片(俯視圖)。圖12(b)給出了該諧振腔耦合區(qū)的截面示意圖，其由純介質(zhì)波導(dǎo)進(jìn)行耦合輸入和輸出。圖12(c)給出了所制作微盤(pán)諧振腔的SEM圖片(介質(zhì)部分)。分別測(cè)試了半徑為1 350 nm、1 850 nm的兩個(gè)微盤(pán)諧振腔的頻譜(如圖12(d)所示)，其諧振中心波長(zhǎng)分別為1 507.8 nm、1543.2 nm。對(duì)于R=1 350 nm的微盤(pán)諧振腔，消光比可以達(dá)到25 dB，Q值約70。

我們還考慮了基于硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的微盤(pán)諧振腔的溫度特性。圖13是半徑為1 350 nm的微盤(pán)諧振腔在不同溫度時(shí)的頻譜。在此，溫度變化范圍為30～100℃。由圖可見(jiàn)，隨著溫度的增加，該微盤(pán)諧振波長(zhǎng)從1 508 nm逐漸紅移至1 514.8 nm，溫度相關(guān)性約為0.097 nm/℃。

圖13 不同溫度下，基于硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的微盤(pán)諧振腔(R=1350 nm)的頻譜Fig.13 Spectral responses of a micro-disk(R=1350 nm)based on silicon hybrid nanoplasmonic waveguides as the temperature varies

4 硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)在長(zhǎng)程光互連中的應(yīng)用

盡管硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)相比于傳統(tǒng)金屬納米波導(dǎo)損耗較低，但仍難以應(yīng)用于長(zhǎng)程光互連。為了解決這一問(wèn)題，可采用將其與硅納米線光波導(dǎo)相結(jié)合形成混合集成:硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)器件作為局域元件，而硅納米線波導(dǎo)作為元件之間的互聯(lián)通道，從而既可利用硅納米線的低損耗特點(diǎn)，又能發(fā)揮硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)小尺寸的優(yōu)勢(shì)，且這兩者的工藝過(guò)程是兼容的。為此，需實(shí)現(xiàn)硅納米線光波導(dǎo)和硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)間的高效率耦合。通常有兩種方式:(1)端面耦合。采用很簡(jiǎn)短的模式耦合器就可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)70%～80%的耦合效率［39］;(2)倏逝場(chǎng)耦合［52］。通過(guò)調(diào)整耦合區(qū)兩條波導(dǎo)的尺寸以滿足相位匹配條件，從而其耦合效率可達(dá)近100%［77］。

此外，還可以在等離子波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中引入增益介質(zhì)以補(bǔ)償損耗乃至于獲得凈增益［78-86］。正如前文所述，硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)自身具有較低的本征損耗，因而引入具有普通增益系數(shù)的介質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)損耗的補(bǔ)償?？煽紤]引入低折射率增益介質(zhì)或高折射率增益介質(zhì)兩種情況。對(duì)于硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)，低折射率增益介質(zhì)可以是硅納晶或摻有量子點(diǎn)的聚合物，也可以在硅中摻入鉺離子作為高折射率增益介質(zhì)［87］。

圖14 具有增益介質(zhì)的硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的損耗或增益情況Fig.14 Loss or gain coefficient of silicon hybrid nanoplasmonic waveguides with gain medium

圖14(a)和14(b)分別給出了引入低折射率增益介質(zhì)和高折射率增益介質(zhì)后波導(dǎo)的損耗(正值表示增益)與介質(zhì)增益系數(shù)的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，當(dāng)?shù)驼凵渎试鲆娼橘|(zhì)的增益系數(shù)＞300 dB/cm時(shí)即可完全補(bǔ)償波導(dǎo)損耗甚至獲得凈增益;而對(duì)于高折射率增益介質(zhì)，增益系數(shù)僅需＞200 dB/cm。這樣的增益系數(shù)是比較容易實(shí)現(xiàn)的［82-86］。當(dāng)形成凈增益之后，可以進(jìn)一步地實(shí)現(xiàn)超小型的有源器件(如放大器、激光器)。圖14(c)給出了一種具有高折射率增益介質(zhì)的混合表面等離子體納米光波導(dǎo)微腔，可用于實(shí)現(xiàn)超小型激光器。而且，利用混合表面等離子體納米光波導(dǎo)自身的金屬部分，有望實(shí)現(xiàn)電泵浦方式，并實(shí)現(xiàn)光信號(hào)和電信號(hào)的同時(shí)處理。這也是硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)作為一種表面等離子體光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的重要潛在價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文綜述了近年來(lái)在硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)與器件在理論和實(shí)驗(yàn)研究方面的研究進(jìn)展，主要介紹了在這方面的理論和實(shí)驗(yàn)工作。著重介紹了TM型、TE型硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其不但可實(shí)現(xiàn)納米尺度的光場(chǎng)超強(qiáng)限制(小于100 nm)，還可獲得較長(zhǎng)傳輸距離(幾十個(gè)波長(zhǎng)量級(jí))。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作簡(jiǎn)單、靈活性大，且與CMOS工藝兼容。本文也對(duì)基于硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的深亞微米彎曲特性及應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)。硅基混合表面等離子體納米光波導(dǎo)的超強(qiáng)限制和較低損耗的特性有助于實(shí)現(xiàn)性能良好、尺寸超小的功能器件，包括長(zhǎng)度僅為1～3 μm的3 dB功分器、亞微米彎曲半徑的諧振器和尺寸僅為～1.9×3.7 μm2(消光比＞13 dB、帶寬＞120 nm)的偏振分束器?？傊杌旌媳砻娴入x子體納米光波導(dǎo)具有強(qiáng)限制、低損耗、與CMOS工藝兼容、制作簡(jiǎn)單和設(shè)計(jì)靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，在進(jìn)一步提高光子集成線路集成度及其它應(yīng)用方面存在巨大的潛力。

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