[發明專利]一種基于表面等離子體的波導光耦合器及其制備工藝

有效

• 申請號: 201210168742.6
• 申請日: 2012-05-28
• 公開（公告）號: CN102650711A
• 公開（公告）日: 2012-08-29
• 發明（設計）人: 楊樹明;韓楓;李磊;張坤;胡慶杰;蔣莊德
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G02B6/132
• 分類號: G02B6/132;C23C14/35;C23C14/08;C23C14/18;C23C14/58
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域

本專利涉及光學、集成光電子學、納米材料、納米加工、納米測量、儀器科學等多學科交叉的前沿研究領域，具體涉及一種基于表面等離子體的波導光耦合器及其制備工藝。

背景技術

由于受到衍射效應的限制，光波導中傳播的光波不能被限制在小于波長量級的橫截面內，從而使得相鄰光波導元件之間的最小間隙、光波導元件的最大彎曲角度和最大分布密度都受到了限制。

1968年，前蘇聯物理學家Veselago首次提出了負折射率材料的概念；2001年，Shelby等研制出了負折射率材料，負折射率材料的真實性逐步得到了確認，這為突破光學衍射極限提供了可能。但是把超材料應用到可見光波段，它們要比可見光的波長更小，如果用浸在介質中有限寬度的金屬薄膜窄帶制成等離子體激元波導，使光沿波導傳播，這樣金屬薄膜就可起到超材料的作用。Bozhevolnyi等對納米線等離子體光波導進行了研究；2009年，美國University?of?California，Berkeley的張翔研究組在《Nature》雜志上報道了他們最新研究成果--納米線等離子體激光器，在減小激光器物理尺寸的同時，減小了光學模態尺寸，從而突破了衍射極限。

發明內容

研制具有表面等離子體增強效果的分光比為50∶50的光耦合器，該光耦合器的波導層由半導體薄膜和金屬顆粒共同組成，通過優化波導層結構和幾何尺寸，使得光耦合器產生表面等離子體效應。具體如下：

一種基于表面等離子體的光耦合器的波導層制備方法，包括如下步驟：首先在Si基底上通過射頻磁控濺射工藝沉積ZnO薄膜，其后通過氣相沉積工藝對薄膜在大氣氣氛下進行熱處理，保溫后，再通過直流磁控濺射工藝沉積Ag顆粒。

進一步，由濺射時間來控制Ag顆粒的形貌和厚度。

進一步，所述基底為Si基底。

進一步，ZnO薄膜的濺射功率為150W，轉速為15r/min，濺射時間為7min，薄膜的厚度為40nm。

進一步，Ag顆粒濺射電流為0.3A，濺射時間為30s。

進一步，所述金屬氧化物薄膜為ZnO薄膜。

一種基于表面等離子體的波導光耦合器，包括基底和波導層，而波導層由半導體薄膜及其上的金屬顆粒組成。

本發明的有益效果是：

本發明在半導體Si上制備ZnO薄膜，在此薄膜上濺射Ag顆粒從而形成光耦合器的波導層。通過優化波導結構和幾何參數，改善波導的光學性能，產生表面等離子體增強效果，從而使光在波導中傳播能突破衍射極限。

附圖說明

圖1（a）為光耦合器的結構示意圖。

圖1（b）為光耦合器的光波導截面剖視圖。

圖2為光波導的加工工藝流程示意圖。

具體實施方式

圖1（a）為光耦合器的結構示意圖，圖1（b）為光耦合器的光波導剖視圖，光波導結構為在基底1上沉積ZnO薄膜2后沉積Ag顆粒3形成。

波導層基底為20mm×20mm的半導體Si（100），將其分別用丙酮、乙醇和去離子水清洗后，用氮氣吹干并烘30分鐘；ZnO薄膜采用射頻磁控濺射工藝制備，本底真空抽至2×10^-5Pa，濺射功率為150W，轉速為15r/min，濺射時間為7min，ZnO薄膜的厚度為40nm；Ag顆粒采用直流磁控濺射工藝制備，本底真空抽至2×10^-5Pa，濺射電流為0.3A，濺射時間為30s。

圖2為光波導的加工工藝流程。首先在20mm×20mm的半導體Si（100）基底上通過射頻磁控濺射工藝沉積ZnO薄膜，其后通過氣相沉積工藝對ZnO薄膜在大氣氣氛下進行500℃熱處理，保溫時間為2h，再通過直流磁控濺射工藝沉積Ag顆粒，由濺射時間來控制Ag顆粒的形貌和厚度。

1）光耦合器的波導層制備

在Si基底1上制備一層ZnO薄膜2，然后在此薄膜上濺射Ag顆粒3，通過研究不同厚度的ZnO薄膜以及Ag顆粒密度和尺度不同的情況下光耦合器的光學性能，從而確定波導層的最佳結構和厚度。

2）光耦合器的制備

為了實現50∶50的分光比，通過實驗研究不同的耦合區長度和耦合區兩路光波導之間的距離，最終確定光耦合器的結構。