專(zhuān)利名稱(chēng)：平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件，尤其是用于實(shí)現(xiàn)納米光子集成網(wǎng)絡(luò)的平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件。
背景技術(shù)：
平板光波導(dǎo)器件是目前集成光學(xué)的基礎(chǔ)。受衍射效應(yīng)的限制，光波導(dǎo)的直徑一般只能在不小于傳輸光波的波長(zhǎng)大小的量級(jí)，這對(duì)提高集成光路的集成度是一個(gè)極大的限制。為減小波導(dǎo)直徑，目前最具代表性的方法是，通過(guò)將傳輸光波轉(zhuǎn)換成金屬表面激發(fā)的表面等離子體激元波(SPP)，實(shí)現(xiàn)光束直徑在100納米左右的納米波導(dǎo)。如，金屬納米線(xiàn)波導(dǎo)[1]、金屬納米顆粒陣列波導(dǎo)[2]、金屬狹縫波導(dǎo)[3]、以及V-型溝槽金屬波導(dǎo)[4]等。其中光能傳輸效率較高的主要是后兩類(lèi)波導(dǎo)。它們的基本工作原理是，利用SPP的隱失電磁場(chǎng)特性以及趨向于在低相速區(qū)傳播的特點(diǎn)。因?yàn)樵诮饘俳Y(jié)構(gòu)的橫截面尺度越小的區(qū)間，SPP的傳播相速度越小。因此，SPP將趨向于在橫截面尺度較小的區(qū)間傳播，從而可以將電磁場(chǎng)能量限制在納米尺度的波導(dǎo)范圍傳播。這就是前面提到的金屬狹縫波導(dǎo)[3]和金屬V-型溝槽波導(dǎo)[4]。另一方面，由于SPP傳播特性不僅與金屬結(jié)構(gòu)的幾何特性有關(guān)，更重要的還與金屬材料本身及其相鄰的電介質(zhì)材料的介電特性有關(guān)。由此，2004年，研究人員提出一種實(shí)現(xiàn)納米聚焦的三維金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米狹縫波導(dǎo)[5]。但上述各種波導(dǎo)都是三維結(jié)構(gòu)(參見(jiàn)圖1～圖3)，不易于實(shí)現(xiàn)平板集成功能。參考文獻(xiàn)[1]J.Takahara et al，Opt.Lett.22，475(1997). S.A.Maier et al，Nature Mater.2，229(2003). K.Tanaka et al，Appl.Phys.Lett.82，1158(2003). P.F.D.Pile et al，Opt.Lett.，29，1069(2004)；D.K.Gramotnev etal，Appl.Phys.Lett.85，6323(2004)；S.I.Bozhevolnyi et al，Phys.Rev.Lett.95.046802(2005). B.Wang and G.P.Wang，Appl.Phys.Lett.，85，3599(2004).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件，它能夠使傳輸光束直徑在突破衍射極限的納米尺度傳播，從而將傳統(tǒng)的平板集成光波導(dǎo)中的技術(shù)和結(jié)構(gòu)，移植到納米光子集成回路中來(lái)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件，其獨(dú)到之處是由SPP傳播常數(shù)不同的兩種金屬材料構(gòu)成，傳播常數(shù)高的金屬鑲嵌在傳播常數(shù)低的金屬中。
而且，SPP傳播常數(shù)高的金屬呈矩形條狀。
而且，所述的金屬為金、銀、鋁，其中，金或銀為嵌入的金屬，鋁為被嵌入的金屬。
而且，所述的嵌入的矩形條狀金屬的寬度不大于150nm。
由于SPP的傳播相速度差異越大，則光波截面直徑可以越小。因此，本發(fā)明同時(shí)利用SPP在不同波導(dǎo)橫截面尺寸、不同電介質(zhì)覆蓋材料及厚度、以及不同金屬表面(如金、銀、鋁等)上具有更大的傳播相速度差異的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)具有納米尺度的光束截面的平板型納米光波導(dǎo)?；谶@種設(shè)想，我們通過(guò)數(shù)字模擬證明，在金屬鋁膜中嵌入厚度相同但寬度w＝130nm的金屬銀膜，然后再在鋁膜和銀膜表面覆蓋一層厚度h＝100nm、折射率n＝1.5(介電常數(shù)為ε1＝n2)的電介質(zhì)膜(結(jié)構(gòu)如圖3)，當(dāng)入射光波長(zhǎng)λ＝539nm時(shí)，可以得到光束截面大小為150nm×37nm(0.28λ×0.069λ)，傳輸距離約2μm(1.8μm)的納米波導(dǎo)。和現(xiàn)有基于SPP的納米波導(dǎo)技術(shù)相比較，這種結(jié)構(gòu)特別適用于將傳統(tǒng)的平板集成光波導(dǎo)中的技術(shù)和結(jié)構(gòu)，移植到納米光子集成回路中來(lái)。
主要技術(shù)手段和效果(1)通過(guò)將光波轉(zhuǎn)換成金屬-電介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ腟PP，利用SPP可局限在很小的空間尺度范圍的特點(diǎn)，克服常規(guī)傳導(dǎo)光波導(dǎo)受瑞利衍射極限限制的缺點(diǎn)。(2)利用SPP傳輸時(shí)，具有趨向于在低相速區(qū)傳播的特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)由不同金屬(如金、銀、鋁等)構(gòu)成的具有不同波導(dǎo)橫截面尺寸和不同電介質(zhì)覆蓋材料及厚度的納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，使傳輸光束直徑在突破衍射極限的納米尺度傳播。


圖1是示意現(xiàn)有技術(shù)中的V-型溝槽金屬波導(dǎo)的立體圖。
圖2是示意現(xiàn)有的三維金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米狹縫波導(dǎo)立體圖。
圖3是示意現(xiàn)有的三維同質(zhì)金屬結(jié)構(gòu)納米狹縫波導(dǎo)立體圖。
圖4是示意本發(fā)明構(gòu)成的立體圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)圖1～圖4，其中圖1h為V-型溝槽的深度，θ為V-型溝槽的張角，箭頭表示入射光的方向。圖2鋁1，銀2，介質(zhì)3，W為狹縫寬度，L表示波導(dǎo)長(zhǎng)度。圖3金屬4，w1和w2分別為不同區(qū)間的狹縫寬度，h為中心導(dǎo)波區(qū)狹縫的高度，L為波導(dǎo)長(zhǎng)度。圖4電介質(zhì)5，鋁6，銀或金7，鋁8，ε1，ε2，ε3分別為電介質(zhì)、金屬鋁、銀(或金)的相對(duì)介電常數(shù)，h為覆蓋電介質(zhì)層的厚度，d為金屬膜的厚度，w為嵌入鋁波導(dǎo)中的銀波導(dǎo)的寬度。
本發(fā)明記載的是一種平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件，由SPP傳播常數(shù)不同的兩種金屬材料構(gòu)成，傳播常數(shù)高的金屬鑲嵌在傳播常數(shù)低的金屬中。
進(jìn)一步的技術(shù)方案可以是SPP傳播常數(shù)高的金屬呈矩形條狀。
進(jìn)一步的技術(shù)方案還可以是所述的金屬為金7、銀7、鋁6，8，其中，金7或銀7為嵌入的金屬，鋁6，8為被嵌入的金屬。
為實(shí)現(xiàn)納米尺度光波導(dǎo)傳輸，所述的嵌入的矩形條狀金屬的寬度一般不大于150nm。
通過(guò)將光波轉(zhuǎn)換成金屬-電介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ腟PP，利用SPP可局限在很小的空間尺度范圍的特點(diǎn)，克服常規(guī)傳導(dǎo)光波導(dǎo)受瑞利衍射極限限制的缺點(diǎn)。同時(shí)，利用SPP在不同幾何結(jié)構(gòu)、不同電介質(zhì)5覆蓋材料、不同金屬表面上具有不同的傳播相速度，并趨向于在低相速區(qū)傳播，以及SPP相速度差別越大，光束截面直徑可以越小的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)光波在平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)中的傳播。在現(xiàn)有金屬材料中，SPP在銀7、金7、鋁6，8波導(dǎo)中的傳播常數(shù)依次遞減，從而傳播相速度依次遞增。因此，本發(fā)明以現(xiàn)有金屬材料為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)平板型金屬納米異質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，將銀7或金7膜鑲嵌在鋁6，8膜中間(見(jiàn)圖4)，優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，提高SPP在不同區(qū)域的傳播相速度差別，使入射光波能量自動(dòng)局限到SPP傳播相速度較小的區(qū)域(銀或金膜表面)。例如，當(dāng)w＝130nm的金屬銀7膜嵌在鋁6，8膜中，覆蓋層(電介質(zhì)5)厚度h＝100nm、折射率n＝1.5，入射光波長(zhǎng)λ＝539nm時(shí)，可以得到光束截面大小為150nm×37nm(0.28λ×0.069λ)，傳輸距離約2μm(1.8μm)的納米波導(dǎo)特性。應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)，可以更容易實(shí)現(xiàn)平板納米光集成。
本發(fā)明的主要用途納米光耦合器、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、納米光子集成(納米光波導(dǎo)器件)、近場(chǎng)光學(xué)(納米探針的制備等)、生物、化學(xué)傳感、納米量子系統(tǒng)(量子點(diǎn)、量子線(xiàn)等)控制、光鑷(粒子俘獲)。
權(quán)利要求
1.一種平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件，其特征是由SPP傳播常數(shù)不同的兩種金屬材料構(gòu)成，傳播常數(shù)高的金屬鑲嵌在傳播常數(shù)低的金屬中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件，其特征是SPP傳播常數(shù)高的金屬呈矩形條狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件，其特征是所述的金屬為金、銀、鋁，其中，金或銀為嵌入的金屬，鋁為被嵌入的金屬。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件，其特征是所述的嵌入的矩形條狀金屬的寬度不大于150nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件，其特征是所述的嵌入的矩形條狀金屬的寬度不大于150nm。
全文摘要
一種平板型金屬異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米光波導(dǎo)器件，其要點(diǎn)是由SPP傳播常數(shù)不同的兩種金屬材料構(gòu)成，傳播常數(shù)高的金屬鑲嵌在傳播常數(shù)低的金屬中。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是它能夠使傳輸光束直徑在突破衍射極限的納米尺度傳播，從而將傳統(tǒng)的平板集成光波導(dǎo)中的技術(shù)和結(jié)構(gòu)，移植到納米光子集成回路中來(lái)。
文檔編號(hào)G02B6/10GK1888941SQ20061001967
公開(kāi)日2007年1月3日 申請(qǐng)日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者汪國(guó)平, 王兵 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)