一種表面等離激元單向耦合和分束器件及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種表面等離激元單向耦合和分束器件及制備方法，該器件應(yīng)用可能 包括但不限于集成光學(xué)芯片的開關(guān)路由、偏振編碼的光子信息處理、量子計(jì)算信息技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光纖的興起使人們進(jìn)入了高速信息傳遞的時(shí)代，同時(shí)，傳統(tǒng)半導(dǎo)體集成電子芯片 經(jīng)過長足的發(fā)展，逐漸逼近理論的微觀尺寸極限，在這個(gè)極限上出現(xiàn)的發(fā)熱和時(shí)延等問題 制約著集成電子芯片運(yùn)算性能的提高，如果使用光子取代電子進(jìn)行信息處理或傳輸，將極 大提高控制和計(jì)算效率，帶來十分廣闊的應(yīng)用想象空間。
[0003] 表面等離激元(31^€306口1381110即〇131'；[1：011，3??)被形象地稱為"金屬-電介質(zhì)分 界面上的光"，起源于光子與金屬表面導(dǎo)帶電子的相互耦合，為科學(xué)家提供了一種在微納尺 度調(diào)控光子的重要方法，其重要特性在于能夠突破光學(xué)衍射極限，將光場局限在深亞波長 區(qū)域，獲得極大的局域場增強(qiáng)，因此，能夠縮小器件尺寸，降低器件工作的最低能量損耗，基 于表面等離激元設(shè)計(jì)光子器件方面取得了許多激動(dòng)人心的研究成果，如納米光源、天線、存 儲(chǔ)器、傳感器等，基于表面等離激元的科學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)集成光學(xué)芯片的一種重 要的可能途徑。
[0004] 表面等離激元單向耦合器能夠?qū)⒆杂蓚鞑サ墓獠詈喜⑥D(zhuǎn)換成集成芯片上的表 面等離激元，同時(shí)有效控制其傳播方向，削弱相反方向的傳輸，從而在集成光路芯片工作中 抑制不必要的干擾，已經(jīng)引起前沿科學(xué)的廣泛關(guān)注。
[0005] 量子信息領(lǐng)域與表面等離激元領(lǐng)域的結(jié)合是前沿科學(xué)研究的一個(gè)新興熱點(diǎn)，研究 顯示單個(gè)表面等離激元激元在傳播過程能夠保持量子相干性，偏振調(diào)控的表面等離激元耦 合器件提供了重要的平臺，可能將攜帶偏振信息的光子比特轉(zhuǎn)換為表面等離激元，有望拓 展表面等離激元器件在量子信息領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種表面等離激元單向耦合和分束器件。
[0007] 上述技術(shù)問題通過以下方案解決：
[0008] -種表面等離激元單向耦合和分束器件，包括上層金屬光柵、下層金屬光柵以及 設(shè)置在所述上層金屬光柵、所述下層金屬光柵之間的中間介質(zhì)層;所述上層金屬光柵由按 二維晶格周期性排列的若干個(gè)金屬塊構(gòu)成;所述下層金屬光柵為金屬平板，所述下層金屬 光柵設(shè)有按所述二維晶格周期性排列的若干個(gè)金屬孔;所述若干個(gè)金屬塊與所述若干個(gè)金 屬孔 相對，相對的所述金屬塊與所述金屬孔在與所述下層金屬光柵垂直的方向上存在 錯(cuò)位。
[0009] 其中，所述中間介質(zhì)層由與所述若干個(gè)金屬孔--對應(yīng)的若干個(gè)傾斜的介質(zhì)柱構(gòu) 成，所述介質(zhì)柱生長在對應(yīng)的金屬孔中并支撐與該金屬孔對應(yīng)的金屬塊。
[0010] 其中，所述介質(zhì)柱的任一橫截面尺寸都小于所述金屬塊的橫截面尺寸、所述金屬 孔的橫截面尺寸。
[0011]其中，所述金屬塊的橫截面尺寸與所述金屬孔的橫截面尺寸一致。
[0012]其中，所述金屬塊、所述金屬孔的橫截面均為相同的正方形或菱形。
[0013] 其中，所述金屬塊的厚度與所述金屬孔的厚度一致。
[0014] 其中，所述二維晶格為四方晶格或二角晶格或六角晶格。
[0015] 其中，所述中間介質(zhì)層為與所述上層金屬光柵、所述下層金屬光柵均連接的介質(zhì) 塊。
[0016] 上述表面等離激元單向耦合和分束器件，可以作為光學(xué)天線將自由空間光波耦合 并轉(zhuǎn)換為平面內(nèi)傳播的表面等離激元；當(dāng)晶格方向上入射光偏振分量和錯(cuò)位分量同時(shí)不為 零時(shí)，可以激發(fā)該方向上單向傳播的表面等離激元；當(dāng)多個(gè)晶格方向上入射光偏振分量和 錯(cuò)位分量都同時(shí)不為零時(shí)，可以激發(fā)單向分束傳播的表面等離激元;從而，可以通過對入射 光偏振方向的動(dòng)態(tài)調(diào)控，實(shí)現(xiàn)表面等離激元傳輸方向可控的單向傳輸或分束功能。
[0017] 本發(fā)明還提供一種表面等離激元單向耦合和分束器件的制備方法，包括以下步 驟：
[0018] 1)在石英片上旋涂一層粘附層；
[0019] 2)在光刻膠不敏感的環(huán)境中，在粘附層上旋涂一層光刻膠層；
[0020] 3)使用傾斜的雙光束或多光束干涉對光刻膠層進(jìn)行一次或多次的全息曝光，經(jīng)過 顯影得到按二維晶格周期性排列的若干個(gè)傾斜的介質(zhì)柱，該若干個(gè)介質(zhì)柱;構(gòu)成所述中間 介質(zhì)層；
[0021] 4)沿著介質(zhì)柱傾斜的方向先后進(jìn)行兩次金屬陰影沉積，得出位于粘附層上的金屬 平板和一一對應(yīng)地位于若干個(gè)介質(zhì)柱上端的若干個(gè)金屬塊，金屬平板作為所述下層金屬光 柵，若干個(gè)金屬塊構(gòu)成所述上層金屬光柵。
[0022] 其中，通過調(diào)控雙光束或多光束的入射角度來調(diào)控若干個(gè)介質(zhì)柱的晶格周期，通 過調(diào)控曝光時(shí)間和顯影時(shí)間來調(diào)控介質(zhì)柱的橫截面尺寸。
[0023]其中，上述步驟4)具體為:對光刻膠層做相互正交的兩次傾斜雙光束干涉全息曝 光，兩次曝光得到的光柵周期方向相互正交，兩次曝光都使入射的雙光束角平分線與石英 片表面的法線方向成A角度，0〈A〈90。該步驟是具體制作按四方晶格周期性排列的若干個(gè)介 質(zhì)柱。
[0024] 其中，所述粘附層的材料為聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙稀或聚丙稀。
[0025] 其中，采用電子束蒸鍍進(jìn)行金屬陰影沉積。
[0026] 其中，第一次金屬陰影沉積選用的金屬為鎳或鉻，第二次金屬陰影沉積選用的金 屬為黃金或銀或白金。使用鎳或鉻進(jìn)行第一次金屬陰影沉積，可以得到一層金屬粘附層，便 于第二次金屬陰影沉積所使用的貴金屬(黃金或銀或白金)更穩(wěn)定地粘連。
【附圖說明】
[0027] 圖1為采用介質(zhì)柱作為中間介質(zhì)層的其中一種表面等離激元單向耦合和分束器件 的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為圖1沿A-A的剖視圖；
[0029]圖3為采用介質(zhì)塊作為中間介質(zhì)層的其中一種表面等離激元單向耦合和分束器件 的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4為石英片、粘附層、光刻膠層的連接示意圖；
[0031]圖5為在光刻膠層曝光顯影形成其中一種具體結(jié)構(gòu)的傾斜的四方晶格介質(zhì)柱陣列 (5X5周期陣列)沿對角線的截面示意圖；
[0032] 圖6為在光刻膠層曝光顯影形成另一種具體結(jié)構(gòu)的傾斜的四方晶格介質(zhì)柱陣列的 俯視角度電子顯微鏡圖；
[0033] 圖7為在光刻膠層曝光顯影形成另一種具體結(jié)構(gòu)的傾斜的四方晶格介質(zhì)柱陣列的 傾斜角度電子顯微鏡圖；
[0034] 圖8為沿四方晶格介質(zhì)柱陣列（5X5周期陣列)傾斜方向陰影沉積金屬的俯視示意 圖；
[0035]圖9為圖8沿B-B線的剖視圖；
[0036]圖10為雙光束干涉全息曝光的光路示意圖；
[0037]圖11為其中一個(gè)具體結(jié)構(gòu)的表面等離激元單向耦合和分束器件的俯視電子顯微 鏡圖；
[0038] 圖12為其中一個(gè)具體結(jié)構(gòu)的表面等離激元單向耦合和分束器件的傾斜角度電子 顯微鏡圖；
[0039] 圖13為在入射光沿（1，1)方向偏振時(shí)的模擬場分布圖（器件為5x5周期陣列，工作 波長780nm，表現(xiàn)出單向的分束功能）；
[0040] 圖14為在入射光沿（1，1)方向偏振時(shí)的遠(yuǎn)場光學(xué)反/散射測量圖像(器件為5x5周 期陣列，工作波長780nm，表現(xiàn)為單向的分束功能）。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 如圖1至圖3所示，一種表面等離激元單向耦合和分束器件(在【具體實(shí)施方式】中簡 稱為器件），包括上層金屬光柵1、下層金屬光柵2以及設(shè)置在上層金屬光柵1、下層金屬光柵 2之間的中間介質(zhì)層3;上層金屬光柵1由按二維晶格周期性排列的若干個(gè)金屬塊11構(gòu)成;下 層金屬光柵2為金屬平板，下層金屬光柵2設(shè)有按所述二維晶格周期性排列的若干個(gè)金屬孔 21;若干個(gè)金屬塊11與若干個(gè)金屬孔21 相對，相對的金屬塊11與金屬孔21在與下層金 屬光柵2垂直的方向上存在錯(cuò)位，形成錯(cuò)位間隙121。
[0042] 在其中一個(gè)實(shí)例中，如圖3所示，中間介質(zhì)層3為與上層金屬光柵1、下層金屬光柵2 均連接的一介質(zhì)塊。
[0043] 在其中一個(gè)實(shí)例中，如圖1和圖2所示，中間介質(zhì)層3由與若干個(gè)金屬孔21--對應(yīng) 的若干個(gè)傾斜的介質(zhì)柱31構(gòu)成，介質(zhì)柱31生長在對應(yīng)的金屬孔21中并支撐與該金屬孔21對 應(yīng)的金屬塊11，即介質(zhì)柱31沿金屬孔21朝向?qū)?yīng)的金屬塊11的方向傾斜。
[0044] 由上述描述可知，若干個(gè)金屬孔21、若干個(gè)介質(zhì)柱31和若干個(gè)金屬塊11都是按二 維晶格周期性排列，為了便于描述，將按二維晶格周期性排列的若干個(gè)金屬孔21、若干個(gè)介 質(zhì)柱31、若干個(gè)金屬塊11對應(yīng)稱為金屬孔陣列、介質(zhì)柱陣列、金屬塊陣列。
[0045] 上述表面等離激元單向親合和分束器件的設(shè)計(jì)原理如下：
[0046] 沿垂直上述器件所在的平面的方向（亦為垂直下層金屬光柵2的方向），自由空間 光線入射上述器件時(shí)，分別激發(fā)金屬塊11、金屬孔21的局域表面等離子體共振(Localized surface plasmon resonance，LSPR)，同時(shí)二維晶格周期性結(jié)構(gòu)提供了平面內(nèi)傳播的伍德 異常(Wood's Anomaly，WA)模式，WA傳播過程中與金屬塊11或金