一种表面等离激元单向耦合和分束器件及制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种表面等离激元单向耦合和分束器件及制备方法，该器件应用可能 包括但不限于集成光学芯片的开关路由、偏振编码的光子信息处理、量子计算信息技术。
【背景技术】
[0002] 光纤的兴起使人们进入了高速信息传递的时代，同时，传统半导体集成电子芯片 经过长足的发展，逐渐逼近理论的微观尺寸极限，在这个极限上出现的发热和时延等问题 制约着集成电子芯片运算性能的提高，如果使用光子取代电子进行信息处理或传输，将极 大提高控制和计算效率，带来十分广阔的应用想象空间。
[0003] 表面等离激元(31^€306口1381110即〇131'；[1：011，3??)被形象地称为"金属-电介质分 界面上的光"，起源于光子与金属表面导带电子的相互耦合，为科学家提供了一种在微纳尺 度调控光子的重要方法，其重要特性在于能够突破光学衍射极限，将光场局限在深亚波长 区域，获得极大的局域场增强，因此，能够缩小器件尺寸，降低器件工作的最低能量损耗，基 于表面等离激元设计光子器件方面取得了许多激动人心的研究成果，如纳米光源、天线、存 储器、传感器等，基于表面等离激元的科学技术被认为是设计实现集成光学芯片的一种重 要的可能途径。
[0004] 表面等离激元单向耦合器能够将自由传播的光波耦合并转换成集成芯片上的表 面等离激元，同时有效控制其传播方向，削弱相反方向的传输，从而在集成光路芯片工作中 抑制不必要的干扰，已经引起前沿科学的广泛关注。
[0005] 量子信息领域与表面等离激元领域的结合是前沿科学研究的一个新兴热点，研究 显示单个表面等离激元激元在传播过程能够保持量子相干性，偏振调控的表面等离激元耦 合器件提供了重要的平台，可能将携带偏振信息的光子比特转换为表面等离激元，有望拓 展表面等离激元器件在量子信息领域的研究和应用。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种表面等离激元单向耦合和分束器件。
[0007] 上述技术问题通过以下方案解决：
[0008] -种表面等离激元单向耦合和分束器件，包括上层金属光栅、下层金属光栅以及 设置在所述上层金属光栅、所述下层金属光栅之间的中间介质层;所述上层金属光栅由按 二维晶格周期性排列的若干个金属块构成;所述下层金属光栅为金属平板，所述下层金属 光栅设有按所述二维晶格周期性排列的若干个金属孔;所述若干个金属块与所述若干个金 属孔 相对，相对的所述金属块与所述金属孔在与所述下层金属光栅垂直的方向上存在 错位。
[0009] 其中，所述中间介质层由与所述若干个金属孔--对应的若干个倾斜的介质柱构 成，所述介质柱生长在对应的金属孔中并支撑与该金属孔对应的金属块。
[0010] 其中，所述介质柱的任一横截面尺寸都小于所述金属块的横截面尺寸、所述金属 孔的横截面尺寸。
[0011]其中，所述金属块的横截面尺寸与所述金属孔的横截面尺寸一致。
[0012]其中，所述金属块、所述金属孔的横截面均为相同的正方形或菱形。
[0013] 其中，所述金属块的厚度与所述金属孔的厚度一致。
[0014] 其中，所述二维晶格为四方晶格或二角晶格或六角晶格。
[0015] 其中，所述中间介质层为与所述上层金属光栅、所述下层金属光栅均连接的介质 块。
[0016] 上述表面等离激元单向耦合和分束器件，可以作为光学天线将自由空间光波耦合 并转换为平面内传播的表面等离激元；当晶格方向上入射光偏振分量和错位分量同时不为 零时，可以激发该方向上单向传播的表面等离激元；当多个晶格方向上入射光偏振分量和 错位分量都同时不为零时，可以激发单向分束传播的表面等离激元;从而，可以通过对入射 光偏振方向的动态调控，实现表面等离激元传输方向可控的单向传输或分束功能。
[0017] 本发明还提供一种表面等离激元单向耦合和分束器件的制备方法，包括以下步 骤：
[0018] 1)在石英片上旋涂一层粘附层；
[0019] 2)在光刻胶不敏感的环境中，在粘附层上旋涂一层光刻胶层；
[0020] 3)使用倾斜的双光束或多光束干涉对光刻胶层进行一次或多次的全息曝光，经过 显影得到按二维晶格周期性排列的若干个倾斜的介质柱，该若干个介质柱;构成所述中间 介质层；
[0021] 4)沿着介质柱倾斜的方向先后进行两次金属阴影沉积，得出位于粘附层上的金属 平板和一一对应地位于若干个介质柱上端的若干个金属块，金属平板作为所述下层金属光 栅，若干个金属块构成所述上层金属光栅。
[0022] 其中，通过调控双光束或多光束的入射角度来调控若干个介质柱的晶格周期，通 过调控曝光时间和显影时间来调控介质柱的横截面尺寸。
[0023]其中，上述步骤4)具体为:对光刻胶层做相互正交的两次倾斜双光束干涉全息曝 光，两次曝光得到的光栅周期方向相互正交，两次曝光都使入射的双光束角平分线与石英 片表面的法线方向成A角度，0〈A〈90。该步骤是具体制作按四方晶格周期性排列的若干个介 质柱。
[0024] 其中，所述粘附层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙稀或聚丙稀。
[0025] 其中，采用电子束蒸镀进行金属阴影沉积。
[0026] 其中，第一次金属阴影沉积选用的金属为镍或铬，第二次金属阴影沉积选用的金 属为黄金或银或白金。使用镍或铬进行第一次金属阴影沉积，可以得到一层金属粘附层，便 于第二次金属阴影沉积所使用的贵金属(黄金或银或白金)更稳定地粘连。
【附图说明】
[0027] 图1为采用介质柱作为中间介质层的其中一种表面等离激元单向耦合和分束器件 的俯视结构示意图；
[0028]图2为图1沿A-A的剖视图；
[0029]图3为采用介质块作为中间介质层的其中一种表面等离激元单向耦合和分束器件 的剖视结构示意图；
[0030]图4为石英片、粘附层、光刻胶层的连接示意图；
[0031]图5为在光刻胶层曝光显影形成其中一种具体结构的倾斜的四方晶格介质柱阵列 (5X5周期阵列)沿对角线的截面示意图；
[0032] 图6为在光刻胶层曝光显影形成另一种具体结构的倾斜的四方晶格介质柱阵列的 俯视角度电子显微镜图；
[0033] 图7为在光刻胶层曝光显影形成另一种具体结构的倾斜的四方晶格介质柱阵列的 倾斜角度电子显微镜图；
[0034] 图8为沿四方晶格介质柱阵列（5X5周期阵列)倾斜方向阴影沉积金属的俯视示意 图；
[0035]图9为图8沿B-B线的剖视图；
[0036]图10为双光束干涉全息曝光的光路示意图；
[0037]图11为其中一个具体结构的表面等离激元单向耦合和分束器件的俯视电子显微 镜图；
[0038] 图12为其中一个具体结构的表面等离激元单向耦合和分束器件的倾斜角度电子 显微镜图；
[0039] 图13为在入射光沿（1，1)方向偏振时的模拟场分布图（器件为5x5周期阵列，工作 波长780nm，表现出单向的分束功能）；
[0040] 图14为在入射光沿（1，1)方向偏振时的远场光学反/散射测量图像(器件为5x5周 期阵列，工作波长780nm，表现为单向的分束功能）。
【具体实施方式】
[0041] 如图1至图3所示，一种表面等离激元单向耦合和分束器件(在【具体实施方式】中简 称为器件），包括上层金属光栅1、下层金属光栅2以及设置在上层金属光栅1、下层金属光栅 2之间的中间介质层3;上层金属光栅1由按二维晶格周期性排列的若干个金属块11构成;下 层金属光栅2为金属平板，下层金属光栅2设有按所述二维晶格周期性排列的若干个金属孔 21;若干个金属块11与若干个金属孔21 相对，相对的金属块11与金属孔21在与下层金 属光栅2垂直的方向上存在错位，形成错位间隙121。
[0042] 在其中一个实例中，如图3所示，中间介质层3为与上层金属光栅1、下层金属光栅2 均连接的一介质块。
[0043] 在其中一个实例中，如图1和图2所示，中间介质层3由与若干个金属孔21--对应 的若干个倾斜的介质柱31构成，介质柱31生长在对应的金属孔21中并支撑与该金属孔21对 应的金属块11，即介质柱31沿金属孔21朝向对应的金属块11的方向倾斜。
[0044] 由上述描述可知，若干个金属孔21、若干个介质柱31和若干个金属块11都是按二 维晶格周期性排列，为了便于描述，将按二维晶格周期性排列的若干个金属孔21、若干个介 质柱31、若干个金属块11对应称为金属孔阵列、介质柱阵列、金属块阵列。
[0045] 上述表面等离激元单向親合和分束器件的设计原理如下：
[0046] 沿垂直上述器件所在的平面的方向（亦为垂直下层金属光栅2的方向），自由空间 光线入射上述器件时，分别激发金属块11、金属孔21的局域表面等离子体共振(Localized surface plasmon resonance，LSPR)，同时二维晶格周期性结构提供了平面内传播的伍德 异常(Wood's Anomaly，WA)模式，WA传播过程中与金属块11或金