基于GaAs的垂直耦合混合等离子体波导的受控杂化实现低损耗纳米级光约束

为解决等离子体波导中高传播损耗与纳米级光约束难以兼顾的难题，研究人员创新设计出GaAs基垂直耦合混合等离子体波导（VCHPW）。通过优化梯形GaAs层与银层的垂直耦合结构，实现了0.004 dB/μm的超低损耗和5330 μm的传播长度，性能较传统波导提升超100倍。该研究为高性能纳米光子器件在通信与传感领域的应用提供了新范式。

　　

研究背景
纳米光子学领域长期面临一个“鱼与熊掌”的困境：等离子体波导（Plasmonic Waveguide）能将光场压缩到纳米尺度，但金属材料在光学波段的介电损耗导致传播距离骤减。传统混合等离子体波导（HPW）通过结合介电质与金属虽能部分缓解损耗，但传播长度仍局限在数十微米量级。这种“光走得越远，信号丢得越多”的特性，严重制约了其在芯片级光互连、生物传感等领域的应用。

研究设计与方法
印度理工学院（印度矿业学院）丹巴德校区的SWATI RAJPUT团队在《Optik》发表研究，提出一种革命性的垂直耦合混合等离子体波导（Vertically Coupled Hybrid Plasmonic Waveguide, VCHPW）。该设计采用非对称梯形GaAs层（顶部厚度可调t_GaAs，底部固定220 nm）与10 nm银层（Ag）的垂直堆叠结构，通过有限元法（FEM）模拟和参数优化，实现了等离子体模式与介电模式的受控杂化（Controlled Hybridization）。关键技术包括：1）Ansys Lumerical软件的光场仿真；2）关键参数（w_GaAs、t_GaAs、t_Ag）的系统性扫描；3）与常规平面GaAs-SiO₂-Ag结构的对比验证。

研究结果
1. Proposed Device Design
波导结构创新性地采用上下梯形GaAs层夹银层的“三明治”构型。当顶部GaAs厚度t_GaAs=220 nm、银层t_Ag=10 nm时，在1.35 μm波长下实现0.004 dB/μm的创纪录低损耗。

2. Analysis of VCHPW
参数优化揭示：窄GaAs平台宽度（w_GaAs=20 nm）可增强模式杂化，使光场能量集中于低损耗介电区域，同时保持纳米级约束（约λ/10）。

3. Comparison with State-of-the-Art
相较于传统平面HPW，VCHPW的有效折射率（n_eff）更高（1.65 μm时达2.38），品质因数（FOM）提升至5700，传播长度延长两个数量级。

结论与意义
这项研究通过几何创新与精确参数调控，首次实现传播损耗（0.0007 dB/μm）与光学约束（~100 nm）的协同优化。其意义在于：1）为片上光互连提供“既跑得远又挤得下”的解决方案；2）展示垂直耦合结构在模式调控上的独特优势；3）启发新型等离子体-光子混合集成器件设计。以色列特拉维夫大学纳米光子学实验室的合作支持，进一步凸显该技术的国际认可度。未来，这种“纳米光高速公路”有望推动量子光源集成与单分子检测技术的突破。