寬帶表面等離子體邏輯輸入源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光電子器件領(lǐng)域，尤其涉及一種光學(xué)諧振器以及邏輯與門(mén)。
【背景技術(shù)】
[0002]由于諧振器結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于高性能量子光學(xué)器件、光學(xué)傳感器和低能量損耗的光電器件中，因此，諧振器結(jié)構(gòu)的研究在近年得到了迅速發(fā)展，各種諧振器結(jié)構(gòu)也如雨后春筍般出現(xiàn)，如光子晶體諧振器和介質(zhì)盤(pán)諧振器等。這些諧振器雖然表現(xiàn)出較好的性能，但無(wú)法突破衍射極限尺寸限制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)器件的小型化。
[0003]已有研究嘗試將表面等離子激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)應(yīng)用到諧振器結(jié)構(gòu)上。表面等離子激元是由光和金屬表面自由電子的相互作用引起的一種電磁波模式，它局限于金屬與介質(zhì)界面附近，能形成增強(qiáng)近場(chǎng)。在等離子體器件中，這些較強(qiáng)的局域場(chǎng)在納米光電子領(lǐng)域有顯著應(yīng)用，如表面增強(qiáng)拉曼波普學(xué)，光化學(xué)及光生物傳感器等。傳統(tǒng)光學(xué)器件受到衍射極限的制約，其尺度的微小化和集成度受到限制，但是表面等離子激元的特征可以很好地突破衍射極限，為制造基于表面等離子激元的集成光路應(yīng)用于高速光通訊提供了可能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種寬帶表面等離子體邏輯輸入源，其特征在于，包括基底層-金屬層，基底層為低折射率材料，金屬層沉積在基底層的上側(cè)，并用聚焦離子束刻蝕出數(shù)個(gè)矩形環(huán)以及矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)。金屬層刻蝕出的四角光滑的矩形槽以及矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)形成一個(gè)寬帶表面等離子體邏輯輸入源。
[0005]包括基底層-金屬層，基底層為低折射率材料。
[0006]用聚焦離子束刻蝕出數(shù)個(gè)的矩形環(huán)以及矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)。
[0007]所述的矩形環(huán)四個(gè)角光滑。
[0008]所述的矩形環(huán)可以是一個(gè)或者兩個(gè)。
[0009]所述的數(shù)個(gè)矩形環(huán)可以橫向排列，也可以縱向排列。
[0010]所述金屬層的材料為能產(chǎn)生表面等離子體的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳和鉻中的任意一種，或是上述不同金屬構(gòu)成的復(fù)合材料。
[0011 ]本發(fā)明的有益效果是:由于采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，使得在環(huán)形結(jié)構(gòu)中諧振的光場(chǎng)具有較強(qiáng)的束縛能力，且由于光場(chǎng)在金屬與空氣的界面形成的環(huán)形區(qū)域的表面循環(huán)傳播，減小了諧振器的尺寸，同時(shí)由于環(huán)形結(jié)構(gòu)極易發(fā)生耦合作用，有利于集成光學(xué)系統(tǒng)的小型化。
【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是單個(gè)矩形環(huán)形成的寬帶表面等離子體輸入源橫截面結(jié)構(gòu)圖；
[0013]圖2是單個(gè)矩形環(huán)形成的寬帶表面等離子體輸入源俯視結(jié)構(gòu)圖；
[0014]圖3是兩個(gè)矩形環(huán)橫向排列形成的寬帶表面等離子體輸入源俯視結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖4是兩個(gè)矩形環(huán)縱向排列形成的寬帶表面等離子體輸入源俯視結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖5是本申請(qǐng)實(shí)施例中寬帶表面等離子體輸入源歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度密度在X-Z平面的分布圖；
[0017]圖6是本申請(qǐng)實(shí)施例中寬帶表面等離子體輸入源三個(gè)輸出口與輸入波長(zhǎng)的關(guān)系圖；
【具體實(shí)施方式】
[0018]為便于說(shuō)明本申請(qǐng)，這里對(duì)本申請(qǐng)涉及的相關(guān)術(shù)語(yǔ)作出如下解釋:
[0019](I)模式體積:是指存儲(chǔ)在諧振器中的總能量與峰值能量之比，該能量以一種包絡(luò)的形式存在，該包絡(luò)進(jìn)行積分即可得到總能量；
[0020](2)表面等離子體:是由光和金屬表面自由電子的相互作用引起的一種電磁波模式，基于表面等離子體的結(jié)構(gòu)，可以將橫向光波場(chǎng)限制在遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的尺寸范圍，從而突破衍射極限的限制。
[0021]本申請(qǐng)利用表面等離子體的原理提出了一種寬帶表面等離子體邏輯輸入源。在可見(jiàn)光波段，金、銀等貴金屬的介電常數(shù)的實(shí)部為負(fù)值，通過(guò)求解電磁場(chǎng)的麥克斯韋方程組可知，電磁場(chǎng)被限制貴金屬表面，并且區(qū)域小于波長(zhǎng)尺寸，所以稱之為亞波長(zhǎng)尺寸限制。通過(guò)對(duì)金屬表面納米結(jié)構(gòu)的調(diào)制，使得增益介質(zhì)發(fā)出的光能夠激發(fā)出金屬表面自由電子的等離子體激元，光限制在金屬表面的低折射率介質(zhì)中，并且在環(huán)形諧振腔中傳播，在低折射率介質(zhì)中，光場(chǎng)具有極小的模式體積，在極小的區(qū)域內(nèi)，光場(chǎng)和光子的相互作用能大大減小光子壽命，加快受激發(fā)光子的躍迀，從而又加強(qiáng)了激光的強(qiáng)度，通過(guò)這樣的正反饋效應(yīng)能夠得到較強(qiáng)的激光。
[0022]下面通過(guò)【具體實(shí)施方式】結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]實(shí)施例1:
[0024]請(qǐng)參考圖1，圖1為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種寬帶表面等離子體邏輯輸入源的結(jié)構(gòu)圖，包括基底層-金屬層，基底材料為二氧化硅，金屬層材料為銀。
[0025]請(qǐng)參考圖3，圖3本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種寬帶表面等離子體邏輯輸入源的俯視結(jié)構(gòu)圖，包括用聚焦離子束刻蝕得到的兩個(gè)四角圓滑的矩形環(huán)以及矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)，其中兩個(gè)四角圓滑矩形環(huán)橫向排列。
[0026]本實(shí)例中，金屬層的厚度為60nm，矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)的寬度為80nm，矩形環(huán)的寬度為80nm。
[0027]使用COMSOL對(duì)本實(shí)施例中寬帶表面等離子體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。
[0028]圖5是本實(shí)施例中寬帶表面等離子體邏輯輸入源歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度密度在X-Z平面的分布圖。由圖3可見(jiàn)，光場(chǎng)分布在金屬與空氣介質(zhì)層之間的界面中。由于金屬層表面等離子體效應(yīng)的作用，界面上的光能量被限制金屬表面。這樣的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了在亞波長(zhǎng)尺度對(duì)光場(chǎng)的限制，能夠得到尺寸極小的光斑。
[0029]圖6是本實(shí)施例中寬帶表面等離子體邏輯輸入源中，輸入源三個(gè)輸出口對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的邏輯關(guān)系圖。由圖6可見(jiàn)，對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)，輸入源三個(gè)輸出口的邏輯情況不同，這是由于輸入源結(jié)構(gòu)尺寸與波長(zhǎng)之間的耦合決定。
[0030]實(shí)施例2:
[0031]請(qǐng)參考圖1，圖1為本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種寬帶表面等離子體邏輯輸入源的橫截面結(jié)構(gòu)圖，包括基底層-金屬層，基底材料為二氧化硅，金屬層材料為銀。
[0032]請(qǐng)參考圖4，圖4本申請(qǐng)實(shí)施例提供的一種寬帶表面等離子體邏輯輸入源的俯視結(jié)構(gòu)圖，包括用聚焦離子束刻蝕得到的兩個(gè)四角圓滑的矩形環(huán)以及矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)，其中兩個(gè)四角圓滑矩形環(huán)縱向排列。
[0033]本申請(qǐng)的寬帶表面等離子體邏輯輸入源中，由于采用環(huán)形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，使得在環(huán)形結(jié)構(gòu)中諧振的光場(chǎng)具有較強(qiáng)的束縛能力，且由于光場(chǎng)在矩形環(huán)區(qū)域的表面循環(huán)傳播，減小了諧振器的尺寸，同時(shí)由于環(huán)形結(jié)構(gòu)極易發(fā)生耦合作用，有利于集成光學(xué)系統(tǒng)的小型化。寬帶情況下，輸出口的邏輯關(guān)系也將在SPPs集成電路輸入源期間上得到很大應(yīng)用。
[0034]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的實(shí)施方式對(duì)本申請(qǐng)所作的進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，不能認(rèn)定本申請(qǐng)的具體實(shí)施只局限于這些說(shuō)明。對(duì)于本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本申請(qǐng)構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單推演或替換。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種寬帶表面等離子體邏輯輸入源，其特征在于，包括基底層-金屬層，基底層為低折射率材料，金屬層形成在基底層的上側(cè)，并在金屬層用聚焦離子束刻蝕出數(shù)個(gè)的矩形環(huán)以及矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)，這些四角光滑的矩形環(huán)可以橫向排列，也可以縱向排列?？涛g在金屬層的矩形環(huán)以及矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)形成一個(gè)寬帶表面等離子體邏輯輸入源。2.如權(quán)利要求1述的寬帶表面等離子體邏輯輸入源，其特征在于，所述的矩形環(huán)四個(gè)角光滑。3.如權(quán)利要求1述的寬帶表面等離子體邏輯輸入源，其特征在于，所述的矩形環(huán)可以是一個(gè)或者兩個(gè)。4.如權(quán)利要求1所述的寬帶表面等離子體邏輯輸入源，其特征在于，所述金屬層的材料為能產(chǎn)生表面等離子體的金、銀、鋁、銅、鈦、鎳和鉻中的任意一種，或是上述不同金屬構(gòu)成的復(fù)合材料。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種寬帶表面等離子體邏輯輸入源，包括基底層-金屬層，基底層為低折射率材料,金屬層形成在基底層的上側(cè)，在金屬層用聚焦離子束刻蝕出數(shù)個(gè)四個(gè)角光滑的矩形環(huán)以及矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)，其中這些四角光滑的矩形環(huán)可以平行排列，也可以垂直排列?？涛g在金屬層的四角光滑的矩形環(huán)以及矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)形成一個(gè)寬帶表面等離子體邏輯輸入源。這樣的輸入源，光場(chǎng)在空氣介質(zhì)與金屬的交界面共振，由于金屬層具有四角光滑的矩形環(huán)結(jié)構(gòu)以及矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)，共振電磁波與該環(huán)形結(jié)構(gòu)諧振，環(huán)形的諧振腔使得光場(chǎng)有較強(qiáng)的束縛能力；由于特定的波長(zhǎng)光場(chǎng)被限制在金屬表層，并循環(huán)傳播，可以有效的減小器件的尺寸；另外在寬帶情況下，有部分光沿著矩形環(huán)兩側(cè)的波導(dǎo)從端口傳出，從而實(shí)現(xiàn)邏輯門(mén)。
【IPC分類(lèi)】H01S3/08
【公開(kāi)號(hào)】CN105591269
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610136231
【發(fā)明人】文靜, 朱夢(mèng)均, 鐘陽(yáng)萬(wàn), 王康, 馮輝, 張大偉
【申請(qǐng)人】上海理工大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月18日
【申請(qǐng)日】2016年3月10日