[發明專利]一種基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導

有效

• 申請號: 201511003478.0
• 申請日: 2015-12-24
• 公開（公告）號: CN105467517B
• 公開（公告）日: 2020-11-27
• 發明（設計）人: 馬云燕;馬佑橋;艾華;束鑫
• 申請（專利權）人: 徐州天騁智能科技有限公司
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導主要包括：刻有V槽的金屬(材料選取為銀)襯底1，銀襯底1上V槽兩內壁鍍有一層二氧化硅介質膜2，整個光波導被空氣層3包圍；V槽上寬度W，V槽尖端二氧化硅膜厚t，V槽角度α和θ。

技術領域

本發明為一種納米光學波導器件，具體涉及一種基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導。

背景技術

由于光學衍射極限的限制，目前傳統電介質光波導小型集成化的發展遇到了不可克服的技術瓶頸。探索如何突破光衍射極限的波導對于納米集成光學和量子光通信都有著極其重要的研究意義。

近年來，研究者們發現在導體和電介質分界面上存在一種傳播電磁波，即表面等離子體波，能夠極大程度地突破光學衍射極限從而將電磁波束縛在納米范圍內。因此基于表面等離子體的亞波長光波導也受到了廣大科學家們高度的重視。表面等離子體波是一種電磁波與導體表面自由電子振蕩耦合而產生的一種表面衰逝波。除具備突破光衍射極限的優點外，表面等離子體的另一個顯著優點是其局域增強的電磁場能量分布。增強的局域電磁場能夠明顯加快光與物質的相互作用，對于生物傳感，表面增強拉曼散射和納米平板印刷術等都有著極其重要的應用前景。然而，產生表面等離子體的載體是導體表面諧振的自由電子，因此，金屬歐姆損耗是表面等離子體不可避免的一大難題。更重要的是，在實現超強光束縛情況下，其傳輸(歐姆)損耗會進一步變大，從而約束了表面等離子體光波導的實際應用。研究如何同時實現低損耗和納米光束縛是表面等離子體波導急需解決的一個重要問題。

發明內容

本發明提供一種基于金屬V槽超強光束縛的亞波長表面等離子體波導，主要提供了一種通過在V槽表面蒸鍍一層高折射率材料來實現超強光束縛的方法，與現有技術相比，在小幅犧牲光傳播距離的前提下，本發明卻很大程度上縮小了模式模場面積，從而實現了更大的品質因數。

本發明技術方案的實現步驟如下：

根據上述目的，我們利用金屬V槽的光束縛效應來設計亞波長光波導。該表面等離子體波導主要包括：刻有V槽的金屬(材料選取為銀)襯底1，銀襯底1 上V槽兩內壁鍍有一層二氧化硅介質膜2，整個光波導被空氣層3包圍。

本發明中金屬材料選取常見的貴金屬銀：相比于其他貴金屬，材料銀在近紅外光譜內具備較小的介電常數虛部，因而具備較小的光傳輸損耗。

本發明涉及到納米光學加工和光學鍍膜技術：對金屬V槽的制備可采取聚焦離子束刻蝕工藝；對二氧化硅的成膜可采取真空蒸鍍、離子濺射或真空電子束濺射成膜工藝。在鍍膜過程中需要控制二氧化硅膜的厚度變化，即由上而下逐漸變厚。

本發明中光波導的傳輸性能很大程度上依賴于光波導結構參數的設計：V槽上寬度W，V槽尖端二氧化硅膜厚t，V槽角度α和θ，如圖1所示。

本發明中V槽角度α和θ的選?。涸谕ㄐ挪ㄩL1550納米下，為保證實現亞波長光束縛和較低的光傳輸損耗，α和θ均為銳角，優化角度均在40-50度內，且角度θ大于α。

本發明中V槽上寬度W的選?。涸谕ㄐ挪ㄩL1550納米下，為保證實現亞波長光束縛和較低的光傳輸損耗，優化后的W值須大于0.8微米。同時在考慮滿足亞波長束縛的前提下，W值原則下須小于1.55微米。

本發明中V槽尖端二氧化硅膜厚t的選?。涸谕ㄐ挪ㄩL1550納米下，為保證實現亞波長光束縛和較低的光傳輸損耗，優化后的t值在5納米-300納米內。

附圖說明

圖1是本發明基于亞波長金屬V槽超強光束縛的表面等離子體波導橫截面結構示意圖。

圖2是本發明表面等離子體波導的制備過程示意圖。

圖3是本發明表面等離子體波導光場分布示意圖。

圖4是本發明相對的傳統金屬V槽表面等離子體波導光場分布示意圖。