一种基于亚波长金属v槽超强光束缚的表面等离子体波导的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明为一种纳米光学波导器件，具体涉及一种基于亚波长金属V槽超强光束缚的表面等离子体波导。
【背景技术】
[0002]由于光学衍射极限的限制，目前传统电介质光波导小型集成化的发展遇到了不可克服的技术瓶颈。探索如何突破光衍射极限的波导对于纳米集成光学和量子光通信都有着极其重要的研究意义。
[0003]近年来，研究者们发现在导体和电介质分界面上存在一种传播电磁波，即表面等离子体波，能够极大程度地突破光学衍射极限从而将电磁波束缚在纳米范围内。因此基于表面等离子体的亚波长光波导也受到了广大科学家们高度的重视。表面等离子体波是一种电磁波与导体表面自由电子振荡親合而产生的一种表面衰逝波。除具备突破光衍射极限的优点外，表面等离子体的另一个显著优点是其局域增强的电磁场能量分布。增强的局域电磁场能够明显加快光与物质的相互作用，对于生物传感，表面增强拉曼散射和纳米平板印刷术等都有着极其重要的应用前景。然而，产生表面等离子体的载体是导体表面谐振的自由电子，因此，金属欧姆损耗是表面等离子体不可避免的一大难题。更重要的是，在实现超强光束缚情况下，其传输(欧姆)损耗会进一步变大，从而约束了表面等离子体光波导的实际应用。研究如何同时实现低损耗和纳米光束缚是表面等离子体波导急需解决的一个重要问题。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种基于金属V槽超强光束缚的亚波长表面等离子体波导，主要提供了一种通过在V槽表面蒸镀一层高折射率材料来实现超强光束缚的方法，与现有技术相比，在小幅牺牲光传播距离的前提下，本发明却很大程度上缩小了模式模场面积，从而实现了更大的品质因数。
[0005]本发明技术方案的实现步骤如下:
[0006]根据上述目的，我们利用金属V槽的光束缚效应来设计亚波长光波导。该表面等离子体波导主要包括:刻有V槽的金属(材料选取为银)衬底1，银衬底1上V槽两内壁镀有一层二氧化硅介质膜2，整个光波导被空气层3包围。
[0007]本发明中金属材料选取常见的贵金属银:相比于其他贵金属，材料银在近红外光谱内具备较小的介电常数虚部，因而具备较小的光传输损耗。
[0008]本发明涉及到纳米光学加工和光学镀膜技术:对金属V槽的制备可采取聚焦离子束刻蚀工艺;对二氧化硅的成膜可采取真空蒸镀、离子溅射或真空电子束溅射成膜工艺。在镀膜过程中需要控制二氧化硅膜的厚度变化，即由上而下逐渐变厚。
[0009]本发明中光波导的传输性能很大程度上依赖于光波导结构参数的设计:V槽上宽度W，V槽尖端二氧化硅膜厚t，V槽角度α和Θ，如图1所示。
[0010]本发明中V槽角度α和Θ的选取:在通信波长1550纳米下，为保证实现亚波长光束缚和较低的光传输损耗，α和Θ均为锐角，优化角度均在40-50度内，且角度Θ大于α。
[0011]本发明中V槽上宽度W的选取:在通信波长1550纳米下，为保证实现亚波长光束缚和较低的光传输损耗，优化后的W值须大于0.8微米。同时在考虑满足亚波长束缚的前提下，W值原则下须小于1.55微米。
[0012]本发明中V槽尖端二氧化硅膜厚t的选取:在通信波长1550纳米下，为保证实现亚波长光束缚和较低的光传输损耗，优化后的t值在5纳米-300纳米内。
【附图说明】
[0013]图1是本发明基于亚波长金属V槽超强光束缚的表面等离子体波导横截面结构示意图。
[0014]图2是本发明表面等离子体波导的制备过程示意图。
[0015]图3是本发明表面等离子体波导光场分布示意图。
[0016]图4是本发明相对的传统金属V槽表面等离子体波导光场分布示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面将结合附图对本发明的实施举例进行描述。
[0018]如图1，基于亚波长金属V槽超强光束缚的表面等离子体波导包括:刻有V槽的金属(材料选取为银)衬底1，二氧化硅介质膜2蒸镀于V槽两内壁，且二氧化硅介质膜的厚度由上而下逐渐变厚，整个光波导放置于空气3中，即空气视为光导波的包层。
[0019]如图2，是基于亚波长金属V槽超强光束缚的表面等离子体波导制备过程示意图:1，利用聚焦离子束工艺在金属衬底1上刻蚀一金属V槽;2，利用镀膜工艺在刻有V槽的金属衬底1上镀上一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜，PMMA薄膜的厚度对本发明表面等离子体波导的性能没有影响;3，利用光刻曝光显影技术去除在V槽内壁的PMMA薄膜;4，利用镀膜工艺在整个衬底上镀上一层二氧化硅薄膜;5，将整个光波导放置于丙酮溶液中直至V槽两边的PMMA溶解，S卩V槽两边的二氧化硅被剥离。
[0020]实施例1:本实施例V槽上边宽度为W=1微米，V槽角度α和Θ分别取值为α = 40度和Θ=45度，二氧化硅薄膜层由上而下逐渐由零变厚为t = 5纳米。工作波长选取通信波长即波长为1550纳米，在通信波长下，材料银的介电常数为-129+3.3i，材料二氧化硅的介电常数为2.25，空气的介电常数为1。
[0021]在讨论表面等离子体波导传输性能之前，让我们先定义两个评估参数:传输长度L和模式面积S。传输长度用来描述波导的损耗特性，传输长度越长表示光损耗越小。模式面积用来定义波导的光束缚能力，模式面积越小表示光的局域束缚能力越强。传输长度和模式面积分别表示为:
[0022]L = A/ (43rlm(neff))
[0023]S = 4SeffA2
[0024]其中，λ表不入射光波长，Im(neff)是等效折射率neff的虚部，Seff是等效模式面积且；
[0025]Seff=ffm/max[ff(x,y)]
[0026]其中，Wm和W(x，y)分别表示总电磁能量和能量密度。
[0027]如图3，是本发明表面等离子体波导光场分布图，结构参数参照实施例1说明。如图4，是本发明相对的传统金属V槽表面等离子体波导光场分布示意子体光波导。
[0028]很明显，相比于传统金属V槽表面等离子体波导，本发明中改进后的表面等离子体波导具备更强的光场束缚能力。例如，本发明表面等离子体波导的模式面积等于S = A2/1760，而传统金属V槽表面等离子体波导的面积等于S = f/43，可见，本发明表面等离子体波导的光束缚能力较传统V槽表面等离子体波导提高了近40倍。更强的光局域束缚意味着有更多的光场将分布于金属表面附近，也就是说模式损耗将变大，即模式传输长度将变小。然而值得一提的是，相比于传统V槽表面等离子体波导，虽然本发明波导能够大幅提高光局域束缚能力，但是模式的传播长度却只减小了8倍。如果定义品质因数为L/S2，则本发明表面等离子体波导的品质因数提高了近200倍，充分体现了本发明表面等离子体波导的亚波长导光优势，有利于实现光子回路和器件的集成小型化。
[0029]上述列举的实施仅为对本发明所作说明，并不是对本发明所作的限定。本发明还可以采用其它方式进行实施，在此不一一冗述。凡是采用等同替换或变换形成的技术方案，均属于本发明要求的保护范围。
【主权项】
1.一种基于亚波长金属V槽超强光束缚的表面等离子体波导主要包括:刻有V槽的金属(材料选取为银)衬底1，银衬底1上V槽两内壁镀有一层二氧化硅介质膜2，整个光波导被空气层3包围;V槽上宽度W，V槽尖端二氧化硅膜厚t，V槽角度α和Θ。2.根据权利要求1所述的V槽金属为银，其特征在于:材料银在近红外光谱内具备较小的介电常数虚部，因而具备较小的光传输损耗。3.根据权利要求1所述的V槽角度α和Θ，其特征在于:在通信波长1550纳米下，为保证实现亚波长光束缚和较低的光传输损耗，α和Θ均为锐角，优化角度均在40-50度内，且角度Θ大于α04.根据权利要求1所述的V槽上宽度W，其特征在于:在通信波长1550纳米下，为保证实现亚波长光束缚和较低的光传输损耗，优化后的W值须大于0.8微米；同时在考虑满足亚波长束缚的前提下，W值原则下须小于1.55微米。5.根据权利要求1所述的V槽尖端二氧化硅膜厚t，其特征在于:在通信波长1550纳米下，为保证实现亚波长光束缚和较低的光传输损耗，优化后的t值在5纳米-300纳米内。6.根据权利要求1所述的一种基于亚波长金属V槽超强光束缚的表面等离子体波导，涉及到纳米光学加工和光学镀膜技术，其特征在于:对金属V槽的制备可采取聚焦离子束刻蚀工艺;对二氧化硅的成膜可采取真空蒸镀、离子溅射或真空电子束溅射成膜工艺;在镀膜过程中需要控制二氧化硅膜的厚度变化，即由上而下逐渐变厚。
【专利摘要】一种基于亚波长金属V槽超强光束缚的表面等离子体波导主要包括：刻有V槽的金属(材料选取为银)衬底1，银衬底1上V槽两内壁镀有一层二氧化硅介质膜2，整个光波导被空气层3包围；V槽上宽度W，V槽尖端二氧化硅膜厚t，V槽角度α和θ。
【IPC分类】G02B6/122
【公开号】CN105467517
【申请号】CN201511003478
【发明人】马云燕, 马佑桥, 艾华, 束鑫
【申请人】江苏双仪光学器材有限公司
【公开日】2016年4月6日
【申请日】2015年12月24日