[實(shí)用新型]實(shí)現(xiàn)外延材料深亞波長光子模式體積的平面漏斗微腔

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202020223008.5
• 申請日: 2020-02-28
• 公開（公告）號: CN211979245U
• 公開（公告）日: 2020-11-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周靖;蘭夢珂;儲(chǔ)澤世;代旭;余宇;郭尚坤;鄧杰;陳效雙;蔡清元;李方哲;嵇兆煜;布勇浩
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00;G02B6/12;G02B6/136
• 代理公司: 上海滬慧律師事務(wù)所 31311
• 代理人: 郭英

本專利公開了一種實(shí)現(xiàn)外延材料深亞波長光子模式體積的平面漏斗微腔，其結(jié)構(gòu)包括金屬反射薄膜層、外延材料層、平面漏斗形天線層。在平面光入射下，兩層金屬表面的等離激元模式耦合在一起，形成等離激元波導(dǎo)模式，在上、下金屬之間的外延材料層中傳播，基于微腔共振模式以及金屬尖端效應(yīng)獲得尖端之下的外延材料中形成深亞波長尺度的局域強(qiáng)光場。利用外延材料的去襯底技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)外延材料與該平面漏斗形等離激元微腔的完美集成，通過刻蝕形成物理反射界面，使體系逼近臨界耦合狀態(tài)，能夠大幅局域光子模式耦合效率。該微腔結(jié)構(gòu)有助于實(shí)現(xiàn)深亞波長尺度的局域光子模式及局域強(qiáng)光場。

技術(shù)領(lǐng)域

本專利涉及深亞波長光子模式體積，具體是指一種實(shí)現(xiàn)外延材料中深亞波長光子模式體積的平面漏斗形等離激元微腔。

背景技術(shù)

目前信息技術(shù)飛速發(fā)展，光子器件在信息傳輸、處理及存儲(chǔ)方面的應(yīng)用需求越發(fā)重要。然而，由于受制備工藝水平的限制，光子器件尺寸難以超越衍射極限，隨著微納尺度加工工藝的成熟，光子器件的空間尺度也不斷縮小，已經(jīng)進(jìn)入了微米量級、甚至納米量級的時(shí)代。其中表面等離激元是目前實(shí)現(xiàn)亞波長尺度光子器件的主要研究方向之一，它可突破光學(xué)衍射極限，實(shí)現(xiàn)亞波長尺度下對光的傳輸與調(diào)控?；诒砻娴入x激元的納米光子器件，它利用導(dǎo)體中表面等離激元的激發(fā)，從而將光子器件尺寸壓縮到深亞波長甚至納米量級?；诒砻娴入x激元新穎的光學(xué)特性，許多新型亞波長功能性光子器件被提出，這些器件在全光集成芯片、生物化學(xué)傳感、太陽能光伏增效和表面增強(qiáng)光譜等眾多領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力。因此，實(shí)現(xiàn)深亞波長光子模式體積的新型等離激元微腔具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

表面等離激元是存在于金屬-介質(zhì)界面的電磁波與自由電子的集體振蕩的耦合激發(fā)模式，電磁場被局限在金屬表面很小范圍內(nèi)且增強(qiáng)數(shù)倍，且突破光學(xué)衍射極限，可沿金屬-介質(zhì)界面?zhèn)鞑?，垂直于界面向兩?cè)呈指數(shù)衰減。此平面漏斗形等離激元微腔結(jié)構(gòu)是天線層與介質(zhì)外延材料層以及金屬反射鏡反射面構(gòu)成，形成F-P共振波導(dǎo)模式，利用尖端效應(yīng)將光場限制在漏斗結(jié)構(gòu)的頂部，實(shí)現(xiàn)深亞波長光子模式體積對光進(jìn)行限制和局域場增強(qiáng)。

要實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)的強(qiáng)耦合，光子模式體積以及振子與局域光場的重合程度是兩個(gè)關(guān)鍵要素。耦合強(qiáng)度反比于光子模式體積的平方根，正比于局域光場覆蓋區(qū)域的振子數(shù)量，模式體積的減小和振子強(qiáng)度的增大是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)耦合的直接條件。因此平面漏斗形等離激元微腔能夠在上下金屬界面之間的外延材料中產(chǎn)生具有深亞波長光子模式體積的局域光子模式，能夠促進(jìn)外延材料與光形成強(qiáng)耦合狀態(tài)。能夠突破光學(xué)衍射極限的深亞波長光子模式體積的平面漏斗形等離激元微腔結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)與納米尺度的電子器件匹配集成，是當(dāng)前光學(xué)研究的一種發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容

本專利的目的在于提出了一種實(shí)現(xiàn)深亞波長光子模式體積的平面漏斗形等離激元微腔設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)光學(xué)器件衍射極限問題。這種等離激元微腔結(jié)構(gòu)不僅實(shí)現(xiàn)深亞波長尺寸，而且利用尖端效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對光進(jìn)行限制和局域場增強(qiáng)。

所述平面漏斗微腔的結(jié)構(gòu)為：在金屬反射薄膜1上依次有外延材料層2和平面漏斗形天線層3；

所述的金屬反射薄膜1是一層完整的金屬金反射層，金屬銀反射層，金屬鋁反射層，或金、銀、鋁的合金反射層；其厚度不小于電磁波在該金屬中趨膚深度的兩倍；周期尺寸為探測波長的四分之一到二分之一。

所述的外延材料層2是二至五層異質(zhì)材料層，其厚度小于探測波長的五分之一，所述的異質(zhì)材料層是GaAs、GaN以及SiC半導(dǎo)體材料層，或 GaAs/AlGaAs、InGaAs/InAlAs/InP、InGaAs/GaAs單層或多層量子阱層，或 GaAs/AlAs超晶格、InAs/GaSb超晶格材料層，或GaAs、InAs、InP、CdSe自組織生長的量子點(diǎn)材料層；