本發(fā)明涉及一種光電子器件，特別涉及一種實(shí)現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線。

背景技術(shù)：

表面等離子體是光波耦合進(jìn)納米尺寸高強(qiáng)度的場(chǎng)增強(qiáng)。表面等離子體的固有性質(zhì)有助于一些特殊的納米結(jié)構(gòu)陣列的光學(xué)傳導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)一些陣列相較于單孔有更高效傳輸效率。幾何形狀不同的金屬孔徑，例如圓形、三角形、脊?fàn)罨蛘吆麪罱Y(jié)構(gòu)的光學(xué)特性在理論和實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)被深入的研究。上述結(jié)構(gòu)可在鋒利的邊緣形成較強(qiáng)的熱點(diǎn)，同時(shí)也具有可以調(diào)諧的共振峰。

蝴蝶結(jié)形結(jié)構(gòu)相較于偶極天線具有多個(gè)共振及強(qiáng)電場(chǎng)增強(qiáng)寬帶效應(yīng)。在高速光通信網(wǎng)絡(luò)中的光纖，雖然也能在寬波段和長(zhǎng)距離進(jìn)行傳輸，但是它滿足不了突破衍射極限的超高集成度的下一代光子芯片的需要。

等離子體波導(dǎo)可以突破衍射極限，但應(yīng)用在更廣泛的區(qū)域，等離子波導(dǎo)卻會(huì)遇到很大的一個(gè)技術(shù)瓶頸，主要是它的傳播損耗和非常有限的有效激勵(lì)方法。

研究者提出用蝴蝶形狹縫演示了一個(gè)寬帶高效激勵(lì)方法，然而，對(duì)于研究者所提出的多層結(jié)構(gòu)，制造是相當(dāng)復(fù)雜的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)表面等離子低效激發(fā)的問題，提出了一種實(shí)現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線，是一種激勵(lì)表面等離子體的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，利于小型化集成。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種實(shí)現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線，包括上下結(jié)構(gòu)的基底層和金屬層，基底層材料為低折射率的二氧化硅，金屬層材料為銀，銀層通過磁控濺射鍍膜機(jī)沉積在低折射率的二氧化硅表面，銀層為一拍子形狀，拍面為一矩形，手柄為等寬帶狀，形成一個(gè)帶狀的條形波導(dǎo)；用聚焦離子束在矩形上以帶狀手柄中心線對(duì)稱刻蝕兩個(gè)相同的等腰三角形，等腰三角形深度為銀層的厚度，刻蝕后，通過等腰三角形可直視到二氧化硅層，等腰三角形頂角正對(duì)，形成蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)，兩個(gè)等腰三角形頂角的間距為w1，兩個(gè)等腰三角形構(gòu)成蝴蝶結(jié)形天線，兩個(gè)等腰三角形頂角的間距w1稱為蝴蝶結(jié)形狹縫，兩個(gè)等腰三角形的高度為L(zhǎng)，蝴蝶結(jié)天線頂角的角度為θ，聚焦的高斯光束垂直照射在蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)上，從而激發(fā)表面等離子體。

所述兩個(gè)等腰三角形的高度L和蝴蝶結(jié)天線頂角的角度θ可調(diào)。

所述兩個(gè)等腰三角形的高度L和蝴蝶結(jié)天線頂角θ根據(jù)不同高斯光波長(zhǎng)計(jì)算后進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明實(shí)現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線，當(dāng)光的偏振方向與波導(dǎo)方向一致的光照射到條形波導(dǎo)時(shí)，波導(dǎo)頂端的表面等離子體波成功激發(fā)。由于不同諧振長(zhǎng)度導(dǎo)致的多倍偶極子從蝴蝶結(jié)形邊緣產(chǎn)生，從而具有寬帶特性。長(zhǎng)度為500nm波導(dǎo)具有很穩(wěn)定的激發(fā)效率，帶寬大概為610nm。涵蓋了大部分可見光的范圍，一直到近紅外范圍。其獨(dú)特的寬帶特性，可廣泛應(yīng)用于多波長(zhǎng)信號(hào)傳輸與處理的等離子集成電路。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線橫截面示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線俯視圖。

具體實(shí)施方式

為了便于說明本申請(qǐng)，這里對(duì)本申請(qǐng)涉及的相關(guān)術(shù)語作出如下解釋：

1、超寬帶：從單色器射出的單色光譜線強(qiáng)度輪廓曲線的二分之一高度處的譜帶寬度，超寬帶表示光譜范圍很寬，涵蓋大多數(shù)光譜譜線范圍。

2、表面等離子體激元：金屬表面自由電子與入射光子相互耦合形成的非輻射電磁模式，它是局域在金屬和介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ囊环N混合激發(fā)態(tài)。這種模式存在于金屬與介質(zhì)界面附近，其場(chǎng)強(qiáng)在界面處達(dá)到最大，且在界面兩側(cè)均沿垂直于界面的方向呈指數(shù)式衰減。表面等離子激元具有較強(qiáng)的場(chǎng)限制特性，可以將場(chǎng)能量約束在空間尺寸遠(yuǎn)小于其自由空間傳輸波長(zhǎng)的區(qū)域，且其性質(zhì)可隨金屬表面結(jié)構(gòu)變化而改變。表面等離子激元波導(dǎo)可以突破衍射極限的限制，將光場(chǎng)約束在幾十納米甚至更小的范圍內(nèi)，并產(chǎn)生顯著的場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。

3、偏振方向：光波電矢量的振動(dòng)方向。

利用表面等離子體原理提出了一種實(shí)現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)。通過對(duì)金屬表面納米結(jié)構(gòu)的調(diào)制，使其實(shí)現(xiàn)與表面等離子激元的波長(zhǎng)匹配，從而激發(fā)表面等離子體。

如圖1所示實(shí)現(xiàn)超寬帶表面等離子激發(fā)蝴蝶結(jié)形狹縫天線結(jié)構(gòu)橫截面示意圖，包括基底層3和金屬層2，基底層3材料為低折射率的二氧化硅，金屬層2材料為銀，厚度為150nm的銀層通過磁控濺射鍍膜機(jī)沉積在低折射率的二氧化硅表面，入射光1為聚焦的高斯光束。

導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線俯視圖。金屬層2為一拍子形狀，拍面為一矩形，手柄為等寬帶狀，用聚焦離子束在矩形上以帶狀手柄中心線對(duì)稱刻蝕兩個(gè)相同的等腰三角形，等腰三角形深度為金屬層2的厚度，刻蝕后，通過等腰三角形可直視到基底層3，等腰三角形頂角正對(duì)，形成蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)，兩個(gè)等腰三角形頂角的間距為w1，兩個(gè)等腰三角形構(gòu)成蝴蝶結(jié)形天線，兩個(gè)等腰三角形頂角的間距w1稱為蝴蝶結(jié)形狹縫，L為單個(gè)蝴蝶結(jié)形天線(一個(gè)等腰三角形)的高度，w2為帶狀手柄未刻透波導(dǎo)槽的寬度。θ為蝴蝶結(jié)天線頂角的角度。用聚焦離子束刻蝕的蝴蝶結(jié)狀狹縫。此外，在蝴蝶結(jié)形狹縫右側(cè)，帶狀手柄未被刻蝕的銀膜，形成一個(gè)帶狀的條形波導(dǎo)，如圖2所述形成了實(shí)現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)。條形波導(dǎo)長(zhǎng)度，這里的長(zhǎng)度是指相同寬度的帶狀手柄長(zhǎng)度，不包含圓弧半徑長(zhǎng)，根據(jù)不同波長(zhǎng)的高斯光可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)度。因?yàn)椴煌母咚构獠ㄩL(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的激勵(lì)效率也不一樣，因此可以通過改變蝴蝶結(jié)形天線即一個(gè)等腰三角形的高度和頂角角度來調(diào)節(jié)對(duì)不同波長(zhǎng)高斯光的激勵(lì)效率，這個(gè)可以通過計(jì)算確定。

本實(shí)例中，金屬層的厚度為150nm，蝴蝶結(jié)形即等腰三角形的高度有L和頂角的角度θ可以適當(dāng)改變，改變角度θ和蝴蝶結(jié)形的三角形高度L可以使得特定波長(zhǎng)的激勵(lì)效率提高。通過高數(shù)值孔徑物鏡聚焦的高斯光束垂直照射在蝴蝶結(jié)形結(jié)構(gòu)上，也就是長(zhǎng)條波導(dǎo)頂端的等腰三角形結(jié)構(gòu)。從而激發(fā)表面等離子體。所實(shí)現(xiàn)表面等離子激發(fā)光的波長(zhǎng)可以用不同寬波帶波長(zhǎng)的光來激發(fā)。

使用COMSOL對(duì)本實(shí)例中實(shí)現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。

本實(shí)例中，當(dāng)不同諧振長(zhǎng)度導(dǎo)致的多倍偶極子從蝴蝶結(jié)形邊緣產(chǎn)生，從而導(dǎo)致了寬帶特性。長(zhǎng)度為500nm波導(dǎo)它具有很穩(wěn)定的激發(fā)效率，帶寬大概為610nm。涵蓋了大部分可見光的范圍，一直到近紅外范圍。其獨(dú)特的寬帶特性，本發(fā)明提出的激發(fā)結(jié)構(gòu)，將在下一代等離子集成芯片和功能器件中大量應(yīng)用。