A novel hybrid plasmonic waveguide with ultra-long propagation d...

本文介绍了一种新型的水平对称混合等离激元波导（HSHPW），该波导由一个圆柱形的银（Ag）纳米线以及垂直于二氧化硅（SiO2）基底的高折射率介质层Si组成。波导结合了杂化表面等离子体极化子（SPP）模式、长程SPP和楔模，以实现芯片上纳米尺度的光束缚与引导。该波导显著减小了由欧姆损耗引起的能量衰减，同时还能在银纳米线与高折射率硅之间低折射率的纳米尺度间隙中引导高度受限的模式。文章详细分析了所提结构中模式特性对几何结构的依赖性，显示了超过7.8毫米的长传播距离，并具有归一化模式面积约为0.005的特性。此外，设计也显示出相比于近年来发表的其他HPW结构，整体优势在于显著提高的品质因数（Figure of Merit，FOM）。因此，HSHPW对于构建高密度光子集成电路非常有用。 关键词包括：表面等离子体极化子（surface plasmon polaritons，SPPs）、混合等离激元波导（hybrid plasmonic waveguide，HPW）、归一化模式面积（normalized mode areas）、传播距离（propagation lengths）、品质因数（figure of merit，FOM）。 介绍部分指出，表面等离子体极化子（SPPs）是从金属表面自由电子与光的耦合中产生的电磁场，这些电磁场在金属表面强烈受限，并且一旦离开金属表面就会呈指数衰减。已经证明SPP可以突破传统光学的衍射限制，实现深亚波长的光束缚。因此，基于SPP的波导在过去几年中被广泛研究。混合等离激元波导（HPWs）是一类有竞争力的候选者，它们在亚衍射限制尺度下实现光的束缚和传输，因为它们具有亚波长模式尺寸、长传播距离、低波导串扰和宽带特性。因此，一系列的等离激元波导结构被提出以实现光的束缚和传输。 等离激元波导是指利用表面等离子体共振波导效应，利用金属与介质之间的界面上的等离激元来传输光信号的波导。它们在纳米尺度上能够实现光的引导和高度局域化，这在光通信、光集成电路以及光学存储等应用领域具有重要意义。由于等离激元波导的传播距离与模式尺寸之比相较于传统光学波导大得多，它们能够实现更紧凑的光子集成和更高效的光子处理。 HSHPW波导的结构结合了多种等离激元波导模式的优点，其中包括杂化SPP模式、长程SPP和楔模。楔模特别适合于实现光在极小空间的传播和控制，而长程SPP模式则能够在传播过程中保持较低的能量损失。杂化模式则提供了结合这些模式优点的可能性，使得波导具有更低的传输损耗和更高的模式限制能力。 文章还讨论了关于品质因数（FOM）的提升，这是一个评估波导性能的重要指标，涉及到波导模式的传播距离、模式尺寸以及能量传输效率等因素。在芯片集成光子学中，高FOM的波导能够减小串扰、提高集成密度和系统的整体性能。 HSHPW波导的提出不仅在理论上展示了优异的光学性能，还为光子集成芯片的发展提供了实际可行的设计方案。这项研究成果对于推动现代光通信技术和光电子学的进步具有重要意义。