一種基于亞波長金屬v槽超強光束縛的表面等離子體波導的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明為一種納米光學波導器件，具體涉及一種基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導。
【背景技術】
[0002]由于光學衍射極限的限制，目前傳統電介質光波導小型集成化的發展遇到了不可克服的技術瓶頸。探索如何突破光衍射極限的波導對于納米集成光學和量子光通信都有著極其重要的研究意義。
[0003]近年來，研究者們發現在導體和電介質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衍射極限從而將電磁波束縛在納米范圍內。因此基于表面等離子體的亞波長光波導也受到了廣大科學家們高度的重視。表面等離子體波是一種電磁波與導體表面自由電子振蕩親合而產生的一種表面衰逝波。除具備突破光衍射極限的優點外，表面等離子體的另一個顯著優點是其局域增強的電磁場能量分布。增強的局域電磁場能夠明顯加快光與物質的相互作用，對于生物傳感，表面增強拉曼散射和納米平板印刷術等都有著極其重要的應用前景。然而，產生表面等離子體的載體是導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，在實現超強光束縛情況下，其傳輸(歐姆)損耗會進一步變大，從而約束了表面等離子體光波導的實際應用。研究如何同時實現低損耗和納米光束縛是表面等離子體波導急需解決的一個重要問題。

【發明內容】

[0004]本發明提供一種基于金屬V槽超強光束縛的亞波長表面等離子體波導，主要提供了一種通過在V槽表面蒸鍍一層高折射率材料來實現超強光束縛的方法，與現有技術相比，在小幅犧牲光傳播距離的前提下，本發明卻很大程度上縮小了模式模場面積，從而實現了更大的品質因數。
[0005]本發明技術方案的實現步驟如下:
[0006]根據上述目的，我們利用金屬V槽的光束縛效應來設計亞波長光波導。該表面等離子體波導主要包括:刻有V槽的金屬(材料選取為銀)襯底1，銀襯底1上V槽兩內壁鍍有一層二氧化硅介質膜2，整個光波導被空氣層3包圍。
[0007]本發明中金屬材料選取常見的貴金屬銀:相比于其他貴金屬，材料銀在近紅外光譜內具備較小的介電常數虛部，因而具備較小的光傳輸損耗。
[0008]本發明涉及到納米光學加工和光學鍍膜技術:對金屬V槽的制備可采取聚焦離子束刻蝕工藝;對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]本發明中光波導的傳輸性能很大程度上依賴于光波導結構參數的設計: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]本發明中V槽角度α和Θ的選取:在通信波長1550納米下，為保證實現亞波長光束縛和較低的光傳輸損耗，α和Θ均為銳角，優化角度均在40-50度內，且角度Θ大于α。
[0011]本發明中V槽上寬度W的選取:在通信波長1550納米下，為保證實現亞波長光束縛和較低的光傳輸損耗，優化后的W值須大于0.8微米。同時在考慮滿足亞波長束縛的前提下，W值原則下須小于1.55微米。
[0012]本發明中V槽尖端二氧化硅膜厚t的選取:在通信波長1550納米下，為保證實現亞波長光束縛和較低的光傳輸損耗，優化后的t值在5納米-300納米內。
【附圖說明】
[0013]圖1是本發明基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導橫截面結構示意圖。
[0014]圖2是本發明表面等離子體波導的制備過程示意圖。
[0015]圖3是本發明表面等離子體波導光場分布示意圖。
[0016]圖4是本發明相對的傳統金屬V槽表面等離子體波導光場分布示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面將結合附圖對本發明的實施舉例進行描述。
[0018]如圖1，基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導包括:刻有V槽的金屬(材料選取為銀)襯底1，二氧化硅介質膜2蒸鍍于V槽兩內壁，且二氧化硅介質膜的厚度由上而下逐漸變厚，整個光波導放置于空氣3中，即空氣視為光導波的包層。
[0019]如圖2，是基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導制備過程示意圖: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薄膜的厚度對本發明表面等離子體波導的性能沒有影響;3，利用光刻曝光顯影技術去除在V槽內壁的PMMA薄膜;4，利用鍍膜工藝在整個襯底上鍍上一層二氧化硅薄膜;5，將整個光波導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]實施例1:本實施例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。工作波長選取通信波長即波長為1550納米，在通信波長下，材料銀的介電常數為-129+3.3i，材料二氧化硅的介電常數為2.25，空氣的介電常數為1。
[0021]在討論表面等離子體波導傳輸性能之前，讓我們先定義兩個評估參數:傳輸長度L和模式面積S。傳輸長度用來描述波導的損耗特性，傳輸長度越長表示光損耗越小。模式面積用來定義波導的光束縛能力，模式面積越小表示光的局域束縛能力越強。傳輸長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，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，是本發明表面等離子體波導光場分布圖，結構參數參照實施例1說明。如圖4，是本發明相對的傳統金屬V槽表面等離子體波導光場分布示意子體光波導。
[0028]很明顯，相比于傳統金屬V槽表面等離子體波導，本發明中改進后的表面等離子體波導具備更強的光場束縛能力。例如，本發明表面等離子體波導的模式面積等于S = A2/1760，而傳統金屬V槽表面等離子體波導的面積等于S = f/43，可見，本發明表面等離子體波導的光束縛能力較傳統V槽表面等離子體波導提高了近40倍。更強的光局域束縛意味著有更多的光場將分布于金屬表面附近，也就是說模式損耗將變大，即模式傳輸長度將變小。然而值得一提的是，相比于傳統V槽表面等離子體波導，雖然本發明波導能夠大幅提高光局域束縛能力，但是模式的傳播長度卻只減小了8倍。如果定義品質因數為L/S2，則本發明表面等離子體波導的品質因數提高了近200倍，充分體現了本發明表面等離子體波導的亞波長導光優勢，有利于實現光子回路和器件的集成小型化。
[0029]上述列舉的實施僅為對本發明所作說明，并不是對本發明所作的限定。本發明還可以采用其它方式進行實施，在此不一一冗述。凡是采用等同替換或變換形成的技術方案，均屬于本發明要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導主要包括:刻有V槽的金屬(材料選取為銀)襯底1，銀襯底1上V槽兩內壁鍍有一層二氧化硅介質膜2，整個光波導被空氣層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.根據權利要求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具備較小的介電常數虛部，因而具備較小的光傳輸損耗。3.根據權利要求1所述的V槽角度α和Θ，其特征在于:在通信波長1550納米下，為保證實現亞波長光束縛和較低的光傳輸損耗，α和Θ均為銳角，優化角度均在40-50度內，且角度Θ大于α04.根據權利要求1所述的V槽上寬度W，其特征在于:在通信波長1550納米下，為保證實現亞波長光束縛和較低的光傳輸損耗，優化后的W值須大于0.8微米；同時在考慮滿足亞波長束縛的前提下，W值原則下須小于1.55微米。5.根據權利要求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1550納米下，為保證實現亞波長光束縛和較低的光傳輸損耗，優化后的t值在5納米-300納米內。6.根據權利要求1所述的一種基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導，涉及到納米光學加工和光學鍍膜技術，其特征在于:對金屬V槽的制備可采取聚焦離子束刻蝕工藝;對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】一種基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導主要包括：刻有V槽的金屬(材料選取為銀)襯底1，銀襯底1上V槽兩內壁鍍有一層二氧化硅介質膜2，整個光波導被空氣層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
【公開號】CN105467517
【申請號】CN201511003478
【發明人】馬云燕, 馬佑橋, 艾華, 束鑫
【申請人】江蘇雙儀光學器材有限公司
【公開日】2016年4月6日
【申請日】2015年12月24日