表面等离激元波导的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及波导领域，特别涉及一种表面等离激元波导。
【背景技术】
[0002]当光波(电磁波)入射到金属与介质分界面时，金属表面的自由电子将发生集体振荡，光波与所述金属表面附近的自由电子耦合而形成一种沿着金属表面传播的近场电磁波。如果所述金属表面的自由电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下，电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时，便形成了一种特殊的电磁模式:电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强。这种现象被称为表面等离激元(Surface Plasmon)现象。
[0003]由于表面等离激元的上述现象，使得人们可以利用表面等离激元在微米乃至纳米尺度的范围内对光(电磁波)进行操控，因此普遍认为表面等离激元将在纳米光子学领域获得重要应用。基于表面等离激元的各种器件的研究以及相关理论研究成为近年来的热点，吸引着众多科研人员的关注。
[0004]目前，随着信息技术的飞速发展，对于器件微型化和高度集成化的要求越来越高，在纳米尺度上实现信息的传输处理已经成为科学研究的一个重要课题。表面等离激元能够突破衍射极限，并具有很强的局域场增强特点，可以实现纳米尺度的光信息传输与处理。另外表面等离激元的独特特性，使得它在高灵敏生物检测、传感和新型光源等领域获得了广泛的应用。
[0005]在纳米尺度的光信息传输的相关研究中，表面等离激元波导是一个重要的研究方向，并且已有一些相关的成果。例如，金属层与低折射率介质层依次叠放而形成多层波导结构；又如负载介质的表面等离激兀波导(Dielectric-loaded surface plasmon-po lari tonwaveguides)等。
[0006]负载介质的表面等离激元波导是在金属上或金属膜上进行制备，高折射率介质作为波导的芯层，外围低折射率介质部分为包层。因为在芯层和包层界面处的表面等离激元是以全内反射的形式沿波导传播，导致在包层中有一定比例的能量传播，使得能量的局域性变差。另外，上述两种波导结构中，如果两个波导距离较近，则会产生模式的重叠出现串扰，同时，上述两种波导在转弯时对转弯半径有限制，不能实现小转弯半径的转弯，在转弯半径不太大，例如转弯半径不超过等效波长的情况下，对转弯角度也有限制，不能实现180度甚至360度的大角度转弯。
【发明内容】
[0007]有鉴于此，本发明提供一种表面等离激元波导，以使得表面等离激元传播的局域性好，避免波导间的串扰，并实现表面等离激元的小半径大角度转弯传播。
[0008]本申请的技术方案是这样实现的:
[0009]一种表面等离激元波导，包括:
[0010]金属衬底，以及位于所述衬底上的且相互平行的至少2个金属墙；
[0011]所述金属墙之间形成沟槽，使得表面等离激元在所述沟槽底部的金属衬底表面沿着所述沟槽的延伸方向传播。
[0012]进一步，所述表面等离激元波导还包括:
[0013]位于所述金属衬底表面和金属墙表面的介质层。
[0014]进一步，所述金属墙之间的沟槽宽度大于所述表面等离激元等效波长的一半。
[0015]进一步，所述金属墙的高度大于等于50nm。
[0016]进一步，所述金属墙的厚度大于等于所述表面等离激元在该金属墙中穿透深度的4倍。
[0017]进一步,所述金属墙的厚度大于等于lOOnm。
[0018]进一步，在工作波长下，所述金属衬底和金属墙材料的介电常数的实部小于零。
[0019]进一步，所述金属衬底材料和金属墙材料相同或者不同。
[0020]进一步，所述金属墙材料由一种材料构成；或者，所述金属墙材料由叠加的至少两种材料层构成。
[0021]进一步，所述金属衬底和金属墙的材料包括金、银、铝中至少1种金属或者至少2种金属的合金。
[0022]进一步，所述介质层材料的介电常数实部大于零，且所述介质层材料的介电常数实部的绝对值小于所述金属衬底和金属墙材料介电常数实部的绝对值。
[0023]进一步，所述介质层材料包括空气、水、二氧化硅和/或硅。
[0024]进一步:
[0025]位于所述沟槽两侧的金属墙侧壁在所述金属衬底表面呈直线延伸；或者
[0026]位于所述沟槽两侧的金属墙侧壁在所述金属衬底表面呈折线延伸；或者
[0027]位于所述沟槽两侧的金属墙侧壁在所述金属衬底表面呈曲线延伸；或者
[0028]位于所述沟槽两侧的金属墙侧壁在所述金属衬底表面呈直线、折线和曲线相结合形式延伸。
[0029]从上述方案可以看出，本发明的表面等离激元波导，由于金属衬底表面金属墙的存在进而能够在金属墙之间的沟槽中形成金属墙到金属墙的横向局域性的电磁场，限制表面等离激元向金属墙外的传播，使得表面等离激元仅能够在金属墙之间的金属衬底和介质层的界面上沿着沟槽的延伸方向传播。本发明中，波导内和波导外的表面等离激元可在同一个表面上传播，并且，通过波导的开口可以实现波导内和波导外传播的表面等离激元之间的转换。由于金属墙对波导中的表面等离激元有着很好的局域效果，即使两个波导间隔很小(金属墙的宽度大于表面等离激元穿透深度的4倍(约100纳米))也可以避免波导间的串扰。利用金属壁对波导中传播的表面等离激元的反射，进而实现了表面等离激元的小半径大角度转弯传播以及在光分束器中的应用。
【附图说明】
[0030]图la为本发明的表面等离激元波导的第一具体实施例结构示意图；
[0031]图lb为图la所示实施例结构的截面图；
[0032]图2a为本发明的表面等离激元波导的第二具体实施例结构示意图；
[0033]图2b为图2a所示实施例结构的截面图；
[0034]图3a为本发明的表面等离激元波导实现90度转弯的实施例俯视示意图；
[0035]图3b为本发明的表面等离激元波导实现180度转弯的实施例俯视示意图；
[0036]图4a至图4c为本发明应用于光分束器的实施例俯视结构图；
[0037]图5a至图5e为本发明的表面等离激元波导的实施例结构图；
[0038]图6a为本发明的表面等离激元波导中电场分布截面示意图；
[0039]图6b为本发明实现90度转弯时的电场强度分布示意图；
[0040]图6c为本发明实现180度转弯时的电场强度分布示意图；
[0041]图7a为本发明用于光分束器的电场强度分布图；
[0042]图7b为本发明用于180度光分束器的电场强度分布图；
[0043]图7c为本发明用于360度光分束器的电场强度分布图。
【具体实施方式】
[0044]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
[0045]本发明的表面等离激元波导，主要包括金属衬底以及位于所述衬底上的且相互平行的至少2个金属墙；其中，所述金属墙之间形成沟槽，在所述沟槽内，由于金属墙的约束形成从金属墙到金属墙的横向局域性的电磁场，使得表面等离激元在所述沟槽底部的金属衬底表面沿着所述沟槽的延伸方向传播。
[0046]图la为本发明的表面等离激元波导的一个具体实施例结构示意图，图lb为图la所示实施例结构的截面图。该实施例中，所述表面等离激元波导结构中位于金属衬底1上的金属墙2为2个，2个金属墙2之间形成沟槽3，表面等离激元可在沟槽3底部的金属衬底1表面沿着沟槽3的延伸方向(如图la中箭头方向所示)传播。图la和图lb所示实施例中，还具有位于所述金属衬底1表面和金属墙2表面的介质层4，并且介质层4填满所述沟槽3的空间。
[0047]图la和图lb所示实施例中，所述金属墙2之间的沟槽3的宽度大于表面等离激元等效波长的一半，具体可依据所使用的具体的表面等离激元等效波长而设