專利名稱：用于納米聚焦的高效金屬異質(zhì)光波導(dǎo)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于信息技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種實現(xiàn)超衍射極限納米聚焦的光子器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
光束的聚焦光斑的大小直接決定了光學(xué)系統(tǒng)在高密度數(shù)據(jù)存儲、納米光子學(xué)、近場光學(xué)、生物、化學(xué)傳感、量子光學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景，光斑越小，應(yīng)用潛力越大。但受衍射效應(yīng)的限制，一束光波一般只能聚焦在照明光波長的量級。為縮小照明光斑的大小，目前最具代表性的方法是通過微孔將光斑大小降低到100nm以下[1]，但光能利用率很低，一般在10-3到10-5而的量級。最近，利用脊型(ridge)波導(dǎo)[2]結(jié)構(gòu)已在理論上獲得約0.01λ2的聚焦光斑(50nm×80nm)，效率提高到7％。利用表面等離子體波(SPW)的隱失電磁場特性以及SPW在不同結(jié)構(gòu)的金屬—電介質(zhì)界面上具有不同的傳播相速度，并趨向于在低相速區(qū)傳播的特點(diǎn)，日本科學(xué)家分別理論設(shè)計了一種I-型(如圖1(a))和扇型金屬納米聚焦探針[3](如圖1(b))。但由于該探針是用同一種金屬構(gòu)成的，一方面SPW的傳播相速度差別不可能很大，另一方面，由于扇型結(jié)構(gòu)為開放結(jié)構(gòu)，光能不可避免會有輻射損失。因此，盡管在距離探針10nm處，該結(jié)構(gòu)使光斑大小達(dá)到30nm×30nm，但光能效率也只有20％。此外，該結(jié)構(gòu)也不易與其它納米光子器件(如光波導(dǎo)等)實現(xiàn)高效率耦合連接。
張樹霖，近場光學(xué)顯微鏡及其應(yīng)用，北京，科學(xué)出版社(2000). A.V.Itagi et al，Appl.Phys.Lett.，83，4474(2003). K.Tanaka et al，J.Appl.Phys.，95，3765(2004)；T.Matsumoto et al，J.Appl.Phys.，95，3901(2004).
發(fā)明創(chuàng)造內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種用于納米聚焦的高效金屬異質(zhì)光波導(dǎo)器件，旨在獲得具有更小的納米聚焦光斑大小的同時，進(jìn)一步顯著提高光能利用效率。
本發(fā)明的技術(shù)方案是用于納米聚焦的高效金屬異質(zhì)光波導(dǎo)器件，它有對稱分布的金屬光波導(dǎo)體，其特征在于所述的金屬光波導(dǎo)體由表面等離子體波SPW傳播常數(shù)不同的金屬材料構(gòu)成，將傳播常數(shù)高的金屬鑲嵌在傳播常數(shù)低的金屬中。
如上所述的光波導(dǎo)器件，其特征在于表面等離子體波SPW傳播常數(shù)高的金屬成矩形條狀。
如上所述的光波導(dǎo)器件，其特征在于表面等離子體波SPW傳播常數(shù)高的金屬成收縮形。
如上所述的光波導(dǎo)器件，其特征在于所述的金屬為金、銀、鋁，選金、銀為嵌入的金屬，鋁為被嵌入的金屬。
如上所述的光波導(dǎo)器件，其特征在于所述的對稱分布的金屬光波導(dǎo)體的間距w＝15nm-35nm，嵌入的金屬的小端h＝15nm-65nm。
如前所述，現(xiàn)有技術(shù)很難在將一束光波聚焦到盡可能小的聚焦光斑的同時獲得盡量多的光能利用率。由于SPW的傳播相速度差異越大，則聚焦效應(yīng)越顯著，光能效率也會越高。因此，本發(fā)明同時利用SPW在不同幾何結(jié)構(gòu)(波導(dǎo)橫截面尺寸)、不同金屬表面(如金、銀、鋁等)上具有更大的傳播相速度差異的特點(diǎn)，實現(xiàn)具有高的光能耦合效率的超衍射極限的納米自聚焦。基于這種設(shè)想，在距離結(jié)構(gòu)輸出端10nm處，目前已在理論上獲得聚焦光斑大小達(dá)20nm×30nm＝0.002λ2，光能耦合效率47％以上(結(jié)構(gòu)如圖3(a))和51nm×27nm＝0.0047λ2，光能耦合效率96％以上(結(jié)構(gòu)如圖3(b))。比現(xiàn)有技術(shù)報道的結(jié)果在光斑大小和光能利用率兩方面都有顯著改善，而且本器件結(jié)構(gòu)還特別適用于與其它納米光子波導(dǎo)等器件直接集成在一起(圖4)，實現(xiàn)高效率耦合連接。
主要技術(shù)手段是(1)通過將光波轉(zhuǎn)換成金屬—電介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ腟PW，利用SPW可局限在很小的空間尺度范圍的特點(diǎn)，克服常規(guī)傳導(dǎo)光波聚焦時受瑞利衍射極限限制的缺點(diǎn)。(2)利用SPW傳輸時，具有趨向于在低相速區(qū)傳播的特點(diǎn)，優(yōu)化設(shè)計由不同金屬(如金、銀、鋁等)構(gòu)成的具有不同波導(dǎo)橫截面尺寸(w，h分別在15nm-35nm和15nm-65nm之間取值)和不同幾何形狀(矩形結(jié)構(gòu)，漸變收縮形)的納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)，使入射光波聚焦到突破衍射極限的納米范圍，提高光能輸入耦合效率(矩形結(jié)構(gòu)，圖3(a)，47％；扇形結(jié)構(gòu)，圖3(b)，96.8％)。


圖1已有技術(shù)的I-型(a)和扇型(b)金屬納米聚焦探針。
圖2金屬銀和鋁納米波導(dǎo)中SPW傳播常數(shù)βR/k0與波導(dǎo)橫向幾何寬度k0w之間的依賴關(guān)系曲線，k0為SPW的傳播波矢。
圖3本發(fā)明的由金屬銀和鋁設(shè)計的納米異質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，ε1，ε2，ε3分別為波導(dǎo)區(qū)的電介質(zhì)、金屬鋁和銀的相對介電常數(shù)，w和b分別表示波導(dǎo)截面在x，y方向的寬度，h為嵌入鋁波導(dǎo)中的銀波導(dǎo)在y方向的寬度。
圖4本發(fā)明的實施例結(jié)構(gòu)與其它波導(dǎo)器件的耦合連接圖。
具體的實施方式通過將光波轉(zhuǎn)換成金屬—電介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ腟PW，利用SPW可局限在很小的空間尺度范圍的特點(diǎn)，克服常規(guī)傳導(dǎo)光波聚焦時受瑞利衍射極限限制的缺點(diǎn)。同時，利用SPW在不同幾何結(jié)構(gòu)、不同金屬表面上具有不同的傳播相速度，并趨向于在低相速區(qū)傳播的特點(diǎn)，實現(xiàn)具有高的光能耦合效率的超衍射極限納米自聚焦。相速度差別越大，聚焦效應(yīng)越明顯。圖2所示為不同金屬(金，銀和鋁)納米波導(dǎo)中SPW傳播常數(shù)與波導(dǎo)橫向幾何寬度之間的依賴關(guān)系曲線。由圖可見，當(dāng)由同一種金屬材料構(gòu)成的納米波導(dǎo)具有不同寬度時，SPW的傳播常數(shù)不同(如圖中A1和B1點(diǎn)，A2和B2點(diǎn)，A3和B3點(diǎn))，從而傳播相速度也就不同，寬度越窄，傳播常數(shù)越大(A1，A2，A3點(diǎn))，相速度越小；反之，寬度越寬，傳播常數(shù)就越小(B1，B2，B3點(diǎn))，相速度越大。但在現(xiàn)有金屬材料中，僅通過同一種金屬材料波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)的差別，不可能使SPW在不同區(qū)間的傳播相速度差別盡可能大(如A1與B1點(diǎn)之間，A2與B2點(diǎn)之間，A3與B3點(diǎn)之間的傳播常數(shù)差)。因此，本發(fā)明通過進(jìn)一步改變波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)，達(dá)到增大SPW傳播相速度差別的目的。比較圖2中的B1與A2或A3點(diǎn)之間對應(yīng)的SPW傳播常數(shù)差別可見，不同金屬結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更大的傳播相速度差。在相同幾何寬度條件下，SPW在金、銀、鋁波導(dǎo)中的傳播常數(shù)依次遞減，從而傳播相速度依次遞增。因此，本發(fā)明以現(xiàn)有金屬材料為基礎(chǔ)，設(shè)計金屬納米異質(zhì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，將銀或金波導(dǎo)鑲嵌在鋁波導(dǎo)中間(圖3)，優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，提高SPW在不同區(qū)域的傳播相速度差別，使入射光波自動聚焦到SPW的傳播相速度較小的區(qū)域(銀或金波導(dǎo)區(qū))。例如，當(dāng)w＝15nm，b＝435nm，h＝35nm，d＝85nm時，離出射端10nm處光斑尺寸為20nm×30nm＝0.002λ2，耦合效率可達(dá)到47％以上(圖3(a))。如果異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的銀波導(dǎo)y方向的寬度h沿z方向是漸變的，可以進(jìn)一步提高耦合效率，如圖3(b)的扇形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的耦合效率可以達(dá)到96％以上。應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)制作而成的連接器更容易實現(xiàn)異質(zhì)結(jié)構(gòu)波導(dǎo)與其它納米光子器件的直接集成，實現(xiàn)高效率耦合連接(圖4)。
主要用途納米聚焦耦合輸入/輸出連接頭、高密度數(shù)據(jù)存儲、納米光子集成(納米光波導(dǎo)器件)、近場光學(xué)(納米探針的制備等)、生物、化學(xué)傳感、納米量子系統(tǒng)(量子點(diǎn)、量子線等)控制、光鑷(粒子俘獲)、納米光刻等。
權(quán)利要求
1.用于納米聚焦的高效金屬異質(zhì)光波導(dǎo)器件，它有對稱分布的金屬光波導(dǎo)體，其特征在于所述的金屬光波導(dǎo)體由表面等離子體波SPW傳播常數(shù)不同的金屬材料構(gòu)成，將傳播常數(shù)高的金屬鑲嵌在傳播常數(shù)低的金屬中。
2.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)器件，其特征在于表面等離子體波SPW傳播常數(shù)高的金屬成矩形條狀。
3.如權(quán)利要求1所述的光波導(dǎo)器件，其特征在于表面等離子體波SPW傳播常數(shù)高的金屬成收縮形。
4.如權(quán)利要求1或2或3所述的光波導(dǎo)器件，其特征在于所述的金屬為金、銀、鋁，選金、銀為嵌入的金屬，鋁為被嵌入的金屬。
5.如權(quán)利要求4所述的光波導(dǎo)器件，其特征在于所述的對稱分布的金屬光波導(dǎo)體的間距w＝15nm-35nm，嵌入的金屬的小端h＝15nm-65nm。
全文摘要
用于納米聚焦的高效金屬異質(zhì)光波導(dǎo)器件，它有對稱分布的金屬光波導(dǎo)體，其特征在于所述的金屬光波導(dǎo)體由表面等離子體波SPW傳播常數(shù)不同的金屬材料構(gòu)成，將傳播常數(shù)高的金屬鑲嵌在傳播常數(shù)低的金屬中。在獲得具有更小的納米聚焦光斑大小的同時，進(jìn)一步顯著提高光能利用效率，聚焦光斑大小達(dá)20nm×30nm＝0.002λ
文檔編號G02B21/00GK1584657SQ200410013228
公開日2005年2月23日 申請日期2004年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月28日
發(fā)明者汪國平, 王兵 申請人:武漢大學(xué)