[發明專利]基于液晶-金屬界面電荷的非線性表面等離子體激元器件

無效

• 申請號: 201010608279.3
• 申請日: 2010-12-28
• 公開（公告）號: CN102135695A
• 公開（公告）日: 2011-07-27
• 發明（設計）人: 姚鳳鳳;裴延波;劉海;孫秀冬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G02F1/35
• 分類號: G02F1/35
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于微納米光子學領域，尤其涉及一種非線性表面等離子體激元器件。

背景技術

近幾十年來，人們一直努力用光子學集成回路代替集成電路以滿足日益增長的信息交換和處理需求。然而光學衍射極限使得光子學元件的尺寸始終徘徊在微米量級，無法實現與電子芯片相當的高集成度。表面等離子體激元(Surface?Plasmon?Polaritons，簡稱SPPs)是金屬與介質界面傳播的電磁波與自由電子振蕩的耦合模式。它能夠把光波限制在遠小于波長的尺度內傳播，打破了傳統光學的衍射極限，從而實現高集成度的光電子芯片。此外，金屬結構的SPPs在高靈敏探測、太陽能電池、發光等領域的應用也受到了很大的重視。人們已經在各種SPPs元件的研制上取得了很大的進展。人們已經提出并實現了SPPs耦合器、波導、反射鏡、分束鏡、激光器、放大器和探測器等SPPs集成元件。然而，在芯片中實現對SPPs控制和處理的開關、調制器等主動非線性器件的研究卻進展緩慢，這是因為人們還沒有找到在弱光強下具有大的非線性且便于集成的材料以及實現非線性器件的機制。目前，人們把硅作為集成非線性光學器件的基礎展開了大量的研究，已經設計出各種基于硅的非線性光學元件。這是因為硅可以天然地利用目前成熟的集成電路工藝和生產線。但是硅材料弱的非線性效應使得這些器件的性能一直難以達到要求。傳統的非線性光學材料例如鈮酸鋰等無機晶體雖然具有可觀的非線性，但是無法與目前的集成電路?工藝兼容從而很難實現集成。另外，人們還嘗試利用有機非線性材料與金屬的復合結構來實現非線性SPPs器件。驅動該類器件工作需要達到瓦級的大輸入功率。因此人們迫切的需要尋找在弱的輸入功率下能產生大的非線性效應且便于集成的材料及非線性器件。

發明內容

本發明的目的是，提供了一種新的、基于摻雜電荷產生劑的向列液晶的、能夠實現SPPs的非線性效應的機理和器件結構，可實現非線性SPPs的輸入功率從目前的至少瓦的量級降低到毫瓦量級，并且提出一種實現基于液晶非線性材料的非線性SPPs集成方案。

本發明的另一目的是，基于上述提出的非線性SPPs器件，設計實現了SPPs雙穩器件。進而可以實現該雙穩器件通過外電場來開啟和關閉。

本發明的原理是，采用向列液晶作為主動工作介質，利用熱蒸發鍍膜方法制備納米厚度的金膜，然后在金膜上制備厚度為幾十微米的摻雜電荷產生劑的向列液晶薄膜。在制備的金膜和向列液晶的界面上可以傳播某種特定模式的SPPs，其中該SPPs的模式由金膜的厚度、光學性質以及液晶的光學性質決定；同時，在外加電場作用下或僅在光場作用下，摻雜電荷產生劑的向列液晶和金膜的界面上會產生界面電荷，界面電荷的密度影響液晶分子的排列，而液晶分子的排列影響液晶的折射率。由于界面上傳播的SPPs的能量絕大部分限制在界面附近非常小的范圍內，因此在界面上具有很大的強度。該界面上傳播的SPPs能夠極大地影響界面電荷的密度，而界面電荷的密度會影響液晶的排列和折射率，液晶折射率的改變會改變SPPs的傳播模式。

金膜與向列液晶界面SPPs非線性產生的過程如下：假設在金膜與?向列液晶界面上已經傳播著某種強度和模式的SPPs；如果此時SPPs的強度增加，則界面上的電荷密度會降低，則液晶分子的排列會發生相應的變化，從而改變自身的折射率，而液晶折射率的變化會導致SPPs傳播模式和強度的變化。SPPs的模式和強度的變化又會導致界面電荷的變化，從而導致SPPs模式和強度的變化，這樣的相互作用最終達到平衡。通過界面電荷的作用，SPPs與液晶排列的相互耦合導致的輸入與輸出關系具有非線性雙穩特征。此通過界面電荷控制向列液晶分子取向進而控制向列液晶折射率的效應具有非常高的光強敏感性，所以該結構在毫瓦量級的弱耦合輸入功率下便可實現非常顯著的SPPs非線性。利用棱鏡耦合，便可實現金膜與液晶界面上傳播的SPPs與空間傳輸光的相互耦合。通過監測空間輸出光的功率，便可得到SPPs的非線性和雙穩特性。

本發明的非線性表面等離子體激元(SPPs)器件的結構是：在棱鏡底面制備厚度為納米級的金膜，在金膜下覆蓋摻雜電荷產生劑的液晶層，液晶層位于液晶盒中，液晶盒的另一底面為覆蓋有向列液晶取向膜的導電玻璃基底。

該器件能夠實現非線性SPPs在于：摻雜的電荷產生劑能夠在外加電場的作用下于金膜-液晶的界面處產生能夠響應SPPs的界面電荷，或者

不需要外加電場單是光場可以直接在金膜-液晶的界面處產生能夠響應SPPs的界面電荷。