一種基于亞波長(zhǎng)金屬v槽超強(qiáng)光束縛的表面等離子體波導(dǎo)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明為一種納米光學(xué)波導(dǎo)器件，具體涉及一種基于亞波長(zhǎng)金屬V槽超強(qiáng)光束縛的表面等離子體波導(dǎo)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于光學(xué)衍射極限的限制，目前傳統(tǒng)電介質(zhì)光波導(dǎo)小型集成化的發(fā)展遇到了不可克服的技術(shù)瓶頸。探索如何突破光衍射極限的波導(dǎo)對(duì)于納米集成光學(xué)和量子光通信都有著極其重要的研究意義。
[0003]近年來(lái)，研究者們發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)體和電介質(zhì)分界面上存在一種傳播電磁波，即表面等離子體波，能夠極大程度地突破光學(xué)衍射極限從而將電磁波束縛在納米范圍內(nèi)。因此基于表面等離子體的亞波長(zhǎng)光波導(dǎo)也受到了廣大科學(xué)家們高度的重視。表面等離子體波是一種電磁波與導(dǎo)體表面自由電子振蕩親合而產(chǎn)生的一種表面衰逝波。除具備突破光衍射極限的優(yōu)點(diǎn)外，表面等離子體的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是其局域增強(qiáng)的電磁場(chǎng)能量分布。增強(qiáng)的局域電磁場(chǎng)能夠明顯加快光與物質(zhì)的相互作用，對(duì)于生物傳感，表面增強(qiáng)拉曼散射和納米平板印刷術(shù)等都有著極其重要的應(yīng)用前景。然而，產(chǎn)生表面等離子體的載體是導(dǎo)體表面諧振的自由電子，因此，金屬歐姆損耗是表面等離子體不可避免的一大難題。更重要的是，在實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)光束縛情況下，其傳輸(歐姆)損耗會(huì)進(jìn)一步變大，從而約束了表面等離子體光波導(dǎo)的實(shí)際應(yīng)用。研究如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)低損耗和納米光束縛是表面等離子體波導(dǎo)急需解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種基于金屬V槽超強(qiáng)光束縛的亞波長(zhǎng)表面等離子體波導(dǎo)，主要提供了一種通過(guò)在V槽表面蒸鍍一層高折射率材料來(lái)實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)光束縛的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，在小幅犧牲光傳播距離的前提下，本發(fā)明卻很大程度上縮小了模式模場(chǎng)面積，從而實(shí)現(xiàn)了更大的品質(zhì)因數(shù)。
[0005]本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)步驟如下:
[0006]根據(jù)上述目的，我們利用金屬V槽的光束縛效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)光波導(dǎo)。該表面等離子體波導(dǎo)主要包括:刻有V槽的金屬(材料選取為銀)襯底1，銀襯底1上V槽兩內(nèi)壁鍍有一層二氧化硅介質(zhì)膜2，整個(gè)光波導(dǎo)被空氣層3包圍。
[0007]本發(fā)明中金屬材料選取常見(jiàn)的貴金屬銀:相比于其他貴金屬，材料銀在近紅外光譜內(nèi)具備較小的介電常數(shù)虛部，因而具備較小的光傳輸損耗。
[0008]本發(fā)明涉及到納米光學(xué)加工和光學(xué)鍍膜技術(shù):對(duì)金屬V槽的制備可采取聚焦離子束刻蝕工藝;對(duì)二氧化硅的成膜可采取真空蒸鍍、離子濺射或真空電子束濺射成膜工藝。在鍍膜過(guò)程中需要控制二氧化硅膜的厚度變化，即由上而下逐漸變厚。
[0009]本發(fā)明中光波導(dǎo)的傳輸性能很大程度上依賴于光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì):V槽上寬度W，V槽尖端二氧化硅膜厚t，V槽角度α和Θ，如圖1所示。
[0010]本發(fā)明中V槽角度α和Θ的選取:在通信波長(zhǎng)1550納米下，為保證實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光束縛和較低的光傳輸損耗，α和Θ均為銳角，優(yōu)化角度均在40-50度內(nèi)，且角度Θ大于α。
[0011]本發(fā)明中V槽上寬度W的選取:在通信波長(zhǎng)1550納米下，為保證實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光束縛和較低的光傳輸損耗，優(yōu)化后的W值須大于0.8微米。同時(shí)在考慮滿足亞波長(zhǎng)束縛的前提下，W值原則下須小于1.55微米。
[0012]本發(fā)明中V槽尖端二氧化硅膜厚t的選取:在通信波長(zhǎng)1550納米下，為保證實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光束縛和較低的光傳輸損耗，優(yōu)化后的t值在5納米-300納米內(nèi)。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明基于亞波長(zhǎng)金屬V槽超強(qiáng)光束縛的表面等離子體波導(dǎo)橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖2是本發(fā)明表面等離子體波導(dǎo)的制備過(guò)程示意圖。
[0015]圖3是本發(fā)明表面等離子體波導(dǎo)光場(chǎng)分布示意圖。
[0016]圖4是本發(fā)明相對(duì)的傳統(tǒng)金屬V槽表面等離子體波導(dǎo)光場(chǎng)分布示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施舉例進(jìn)行描述。
[0018]如圖1，基于亞波長(zhǎng)金屬V槽超強(qiáng)光束縛的表面等離子體波導(dǎo)包括:刻有V槽的金屬(材料選取為銀)襯底1，二氧化硅介質(zhì)膜2蒸鍍于V槽兩內(nèi)壁，且二氧化硅介質(zhì)膜的厚度由上而下逐漸變厚，整個(gè)光波導(dǎo)放置于空氣3中，即空氣視為光導(dǎo)波的包層。
[0019]如圖2，是基于亞波長(zhǎng)金屬V槽超強(qiáng)光束縛的表面等離子體波導(dǎo)制備過(guò)程示意圖:1，利用聚焦離子束工藝在金屬襯底1上刻蝕一金屬V槽;2，利用鍍膜工藝在刻有V槽的金屬襯底1上鍍上一層聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，PMMA薄膜的厚度對(duì)本發(fā)明表面等離子體波導(dǎo)的性能沒(méi)有影響;3，利用光刻曝光顯影技術(shù)去除在V槽內(nèi)壁的PMMA薄膜;4，利用鍍膜工藝在整個(gè)襯底上鍍上一層二氧化硅薄膜;5，將整個(gè)光波導(dǎo)放置于丙酮溶液中直至V槽兩邊的PMMA溶解，S卩V槽兩邊的二氧化硅被剝離。
[0020]實(shí)施例1:本實(shí)施例V槽上邊寬度為W=1微米，V槽角度α和Θ分別取值為α = 40度和Θ=45度，二氧化硅薄膜層由上而下逐漸由零變厚為t = 5納米。工作波長(zhǎng)選取通信波長(zhǎng)即波長(zhǎng)為1550納米，在通信波長(zhǎng)下，材料銀的介電常數(shù)為-129+3.3i，材料二氧化硅的介電常數(shù)為2.25，空氣的介電常數(shù)為1。
[0021]在討論表面等離子體波導(dǎo)傳輸性能之前，讓我們先定義兩個(gè)評(píng)估參數(shù):傳輸長(zhǎng)度L和模式面積S。傳輸長(zhǎng)度用來(lái)描述波導(dǎo)的損耗特性，傳輸長(zhǎng)度越長(zhǎng)表示光損耗越小。模式面積用來(lái)定義波導(dǎo)的光束縛能力，模式面積越小表示光的局域束縛能力越強(qiáng)。傳輸長(zhǎng)度和模式面積分別表示為:
[0022]L = A/ (43rlm(neff))
[0023]S = 4SeffA2
[0024]其中，λ表不入射光波長(zhǎng)，Im(neff)是等效折射率neff的虛部，Seff是等效模式面積且；
[0025]Seff=ffm/max[ff(x,y)]
[0026]其中，Wm和W(x，y)分別表示總電磁能量和能量密度。
[0027]如圖3，是本發(fā)明表面等離子體波導(dǎo)光場(chǎng)分布圖，結(jié)構(gòu)參數(shù)參照實(shí)施例1說(shuō)明。如圖4，是本發(fā)明相對(duì)的傳統(tǒng)金屬V槽表面等離子體波導(dǎo)光場(chǎng)分布示意子體光波導(dǎo)。
[0028]很明顯，相比于傳統(tǒng)金屬V槽表面等離子體波導(dǎo)，本發(fā)明中改進(jìn)后的表面等離子體波導(dǎo)具備更強(qiáng)的光場(chǎng)束縛能力。例如，本發(fā)明表面等離子體波導(dǎo)的模式面積等于S = A2/1760，而傳統(tǒng)金屬V槽表面等離子體波導(dǎo)的面積等于S = f/43，可見(jiàn)，本發(fā)明表面等離子體波導(dǎo)的光束縛能力較傳統(tǒng)V槽表面等離子體波導(dǎo)提高了近40倍。更強(qiáng)的光局域束縛意味著有更多的光場(chǎng)將分布于金屬表面附近，也就是說(shuō)模式損耗將變大，即模式傳輸長(zhǎng)度將變小。然而值得一提的是，相比于傳統(tǒng)V槽表面等離子體波導(dǎo)，雖然本發(fā)明波導(dǎo)能夠大幅提高光局域束縛能力，但是模式的傳播長(zhǎng)度卻只減小了8倍。如果定義品質(zhì)因數(shù)為L(zhǎng)/S2，則本發(fā)明表面等離子體波導(dǎo)的品質(zhì)因數(shù)提高了近200倍，充分體現(xiàn)了本發(fā)明表面等離子體波導(dǎo)的亞波長(zhǎng)導(dǎo)光優(yōu)勢(shì)，有利于實(shí)現(xiàn)光子回路和器件的集成小型化。
[0029]上述列舉的實(shí)施僅為對(duì)本發(fā)明所作說(shuō)明，并不是對(duì)本發(fā)明所作的限定。本發(fā)明還可以采用其它方式進(jìn)行實(shí)施，在此不一一冗述。凡是采用等同替換或變換形成的技術(shù)方案，均屬于本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于亞波長(zhǎng)金屬V槽超強(qiáng)光束縛的表面等離子體波導(dǎo)主要包括:刻有V槽的金屬(材料選取為銀)襯底1，銀襯底1上V槽兩內(nèi)壁鍍有一層二氧化硅介質(zhì)膜2，整個(gè)光波導(dǎo)被空氣層3包圍;V槽上寬度W，V槽尖端二氧化硅膜厚t，V槽角度α和Θ。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的V槽金屬為銀，其特征在于:材料銀在近紅外光譜內(nèi)具備較小的介電常數(shù)虛部，因而具備較小的光傳輸損耗。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的V槽角度α和Θ，其特征在于:在通信波長(zhǎng)1550納米下，為保證實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光束縛和較低的光傳輸損耗，α和Θ均為銳角，優(yōu)化角度均在40-50度內(nèi)，且角度Θ大于α04.根據(jù)權(quán)利要求1所述的V槽上寬度W，其特征在于:在通信波長(zhǎng)1550納米下，為保證實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光束縛和較低的光傳輸損耗，優(yōu)化后的W值須大于0.8微米；同時(shí)在考慮滿足亞波長(zhǎng)束縛的前提下，W值原則下須小于1.55微米。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的V槽尖端二氧化硅膜厚t，其特征在于:在通信波長(zhǎng)1550納米下，為保證實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)光束縛和較低的光傳輸損耗，優(yōu)化后的t值在5納米-300納米內(nèi)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于亞波長(zhǎng)金屬V槽超強(qiáng)光束縛的表面等離子體波導(dǎo)，涉及到納米光學(xué)加工和光學(xué)鍍膜技術(shù)，其特征在于:對(duì)金屬V槽的制備可采取聚焦離子束刻蝕工藝;對(duì)二氧化硅的成膜可采取真空蒸鍍、離子濺射或真空電子束濺射成膜工藝;在鍍膜過(guò)程中需要控制二氧化硅膜的厚度變化，即由上而下逐漸變厚。
【專利摘要】一種基于亞波長(zhǎng)金屬V槽超強(qiáng)光束縛的表面等離子體波導(dǎo)主要包括：刻有V槽的金屬(材料選取為銀)襯底1，銀襯底1上V槽兩內(nèi)壁鍍有一層二氧化硅介質(zhì)膜2，整個(gè)光波導(dǎo)被空氣層3包圍；V槽上寬度W，V槽尖端二氧化硅膜厚t，V槽角度α和θ。
【IPC分類】G02B6/122
【公開(kāi)號(hào)】CN105467517
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511003478
【發(fā)明人】馬云燕, 馬佑橋, 艾華, 束鑫
【申請(qǐng)人】江蘇雙儀光學(xué)器材有限公司
【公開(kāi)日】2016年4月6日
【申請(qǐng)日】2015年12月24日