專利名稱：一種超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米光子學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種產(chǎn)生多個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)的超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons) SPPs是目前納米光子學(xué)研究中的熱點(diǎn)。表面等離激元是一種存在于金屬與介質(zhì)界面處的光波與金屬內(nèi)自由電子耦合的集體振蕩，它是一種特殊的界面束縛模式的電磁場(chǎng)，可以通過(guò)求解在金屬-介質(zhì)界面的邊界條件下的麥克斯韋方程組而得到。SPPs最大的特點(diǎn)是可以把光場(chǎng)局域在金屬與介質(zhì)界面處亞波長(zhǎng)的尺寸內(nèi)，可突破傳統(tǒng)光學(xué)的衍射極限，同時(shí)還擁有局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。因此，近年來(lái) SPPs得到了研究者的廣泛關(guān)注。電磁感應(yīng)透明(Electromagneticallyinduced transparency)EIT是一種量子干涉效應(yīng)，基于原子能級(jí)和外加光場(chǎng)的相干作用，可以產(chǎn)生很窄光譜的增強(qiáng)透過(guò)現(xiàn)象。這種增強(qiáng)透過(guò)現(xiàn)象可以導(dǎo)致光子速度的極大降低，從而在光學(xué)非線性、調(diào)制器、傳感器等領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的諧振腔系統(tǒng)也能產(chǎn)生類似電磁感應(yīng)透明效應(yīng)的光學(xué)響應(yīng)，因此引起了研究者極大的興趣。由于表面等離激元可以被超小金屬結(jié)構(gòu)緊強(qiáng)烈束縛，可突破衍射極限，因此，結(jié)合類EIT光學(xué)響應(yīng)和納米表面等離激元結(jié)構(gòu)有可能實(shí)現(xiàn)超緊湊的光學(xué)多功能器件。例如，人們通過(guò)表面等離激元陣列結(jié)構(gòu)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了類EIT光學(xué)響應(yīng)。最近，利用尺寸更小的表面等離激元單元結(jié)構(gòu)，人們也分別在理論和實(shí)驗(yàn)上觀察到了類EIT光學(xué)響應(yīng)。然而，之前所有的表面等離激元結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的都是單個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)，考慮到微型化和多功能化是實(shí)現(xiàn)高集成度光學(xué)回路的關(guān)鍵，因此這種單個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能器件的應(yīng)用上受到很大限制，無(wú)法滿足高速發(fā)展的通訊技術(shù)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)亟待的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)。這種可以產(chǎn)生多個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)的超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)對(duì)于構(gòu)建高集成度的復(fù)雜功能的光學(xué)器件具有重要意義。本發(fā)明的目的在于提供一種超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)。本發(fā)明的超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)包括金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo)；以及從側(cè)面耦合在金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)M波導(dǎo)上的多個(gè)長(zhǎng)度不同的分支諧振腔；其中，MM波導(dǎo)為三層平板結(jié)構(gòu)，第一層和第三層為金屬材料，二者之間為介質(zhì)層；分支諧振腔和介質(zhì)層為相同的介質(zhì)。MM波導(dǎo)的第一層和第三層采用金或銀等金屬。介質(zhì)層的厚度t在10納米至I微米之間。在MIM波導(dǎo)中，表面等離激元場(chǎng)強(qiáng)能很好的束縛在介質(zhì)層里，能極大的突破衍射極限，達(dá)到深亞波長(zhǎng)尺寸。分支諧振腔從側(cè)面耦合在MIM波導(dǎo)上，相鄰兩個(gè)分支諧振腔之間可形成法布里-拍羅諧振腔(Fabry-Perot) FP諧振腔。由電磁場(chǎng)理論可知，在具有一定邊界條件的諧振腔內(nèi)，電磁場(chǎng)只能存在一系列分離的本征態(tài)，通過(guò)麥克斯韋(Maxwell)方程組及邊界條件或商用軟件(Comsol Multiphysics,有限元矩陣法FDTD等)可求得在諧振腔內(nèi)的共振波。各個(gè)分支諧振腔可以從同一側(cè)面耦合在MIM波導(dǎo)上，也可以從不同的側(cè)面耦合在MM波導(dǎo)上。分支諧振腔的長(zhǎng)度d在IOOnm IOOOnm之間；寬度w在IOnm 1000 μ m之間。
這種分支諧振腔可以產(chǎn)生寬帶的透過(guò)譜。當(dāng)分支諧振腔處在共振狀態(tài)時(shí)，表面等離激元在分支諧振腔內(nèi)發(fā)生共振并被諧振腔完全反射回去。 兩個(gè)不同的分支諧振腔從側(cè)面耦合到MIM波導(dǎo)上，兩個(gè)諧振諧振腔的長(zhǎng)度d不同，之間的間距L在IOOnm IOOOnm之間，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)兩個(gè)分支諧振腔之間的間距L，在寬帶的吸收譜中出現(xiàn)了一個(gè)明顯的窄的透過(guò)峰，這是典型的類EIT光學(xué)響應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)分支諧振腔 正好處在共振狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)分支諧振腔中的表面等離激元被諧振腔完全反射回去。當(dāng)入射波長(zhǎng)偏離分支諧振腔共振波長(zhǎng)時(shí)，分支諧振腔對(duì)SPPs具有很高的反射率。因此，在這些波長(zhǎng)下，SPPs會(huì)被這兩個(gè)分支諧振腔來(lái)回反射，形成FP諧振腔。當(dāng)從第一個(gè)分支諧振腔到第二個(gè)分支諧振腔的累積相位延遲奶2 =2 τ時(shí)，在相鄰的分支諧振腔之間具有強(qiáng)耦合，并且發(fā)生相干相長(zhǎng)，從而產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的透過(guò)峰，產(chǎn)生類EIT光學(xué)響應(yīng)，其中，λ為入射波長(zhǎng)。因此，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)兩個(gè)諧振腔之間的間距L，使得仍2 (A) =2 T，在這兩個(gè)共振波長(zhǎng)之間，有一個(gè)非常窄的透過(guò)峰，即類EIT光學(xué)響應(yīng)。這種類EIT光學(xué)響應(yīng)現(xiàn)象在增強(qiáng)非線性、調(diào)制器和傳感器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。η個(gè)不同的分支諧振腔從側(cè)面耦合到MIM波導(dǎo)上，η為> 3的自然數(shù)。相鄰的兩個(gè)分支諧振腔之間的間距Lm (111+1)在IOOnm IOOOnm之間，m < η且為自然數(shù)。本發(fā)明的具有多個(gè)分支諧振腔，不同的諧振腔之間可以通過(guò)MIM波導(dǎo)發(fā)生相互作用，相鄰的兩個(gè)分支諧振腔之間具有強(qiáng)耦合，形成FP諧振腔，達(dá)到共振增強(qiáng)時(shí)可產(chǎn)生類EIT光學(xué)響應(yīng)。調(diào)節(jié)各個(gè)相鄰的分支諧振腔之間的間距Lm(m+1)，m < η且為自然數(shù)，使得從第m個(gè)分支諧振腔到第m+1個(gè)分支諧振腔的累積相位延遲爐_ +1) (A) =2疋，在寬帶的吸收譜中出現(xiàn)η-l個(gè)透過(guò)峰。相鄰的兩個(gè)分支諧振腔和它們之間的MIM波導(dǎo)部分有很強(qiáng)的場(chǎng)分布，結(jié)果在每?jī)蓚€(gè)相鄰的分支諧振腔之間產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的透過(guò)峰。通過(guò)增加更多的分支諧振腔，還可以在表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)中獲得更多的類EIT光學(xué)響應(yīng)。EIT透過(guò)峰的半高全寬在IOnm以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單個(gè)諧振腔的譜寬，可極大提高納米光學(xué)器件的性能，如提高器件的波長(zhǎng)分辨率、提高傳感靈敏度，降低調(diào)制器、光開關(guān)的泵浦閾值。另外，這種可以產(chǎn)生多個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)的超緊湊等離激元多腔耦合系統(tǒng)具有更加復(fù)雜的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)多種功能器件，如通道選擇、通道分插復(fù)用器(add-drop)、多通道濾波器、多通道開關(guān)、波分復(fù)用器以及在納米光學(xué)電路和網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)用/解復(fù)用器(interleavers)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)采用從側(cè)面耦合在金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo)上的多個(gè)共振波長(zhǎng)不同的分支諧振腔，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)，具有更加復(fù)雜的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)多種功能器件，如通道選擇、通道分插復(fù)用器、多通道濾波器、多通道開關(guān)、波分復(fù)用器以及在納米光學(xué)電路和網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)用/解復(fù)用器。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于設(shè)計(jì)，便于制備，極大地提高了納米光學(xué)器件的性能，如提高器件的波長(zhǎng)分辨率、提高傳感靈敏度，降低調(diào)制器、光開關(guān)的泵浦閾值等。


圖I (a)為本發(fā)明的超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)的具有兩個(gè)諧振腔的實(shí)施例的剖面圖，圖I (b)為具有三個(gè)諧振腔的實(shí)施例的剖面圖，圖I (C)為具有四個(gè)諧振腔的實(shí)施例的剖面圖；圖2 (a)為本發(fā)明的超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)的具有三個(gè)諧振腔的實(shí)施例的透過(guò)譜，(b)、(c)和(d)分別為入射波長(zhǎng)λ在970nm、IOOlnm和1030nm時(shí)的場(chǎng)分布圖；圖3 (a)為本發(fā)明的超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)的具有四個(gè)諧振腔的實(shí)施例的透過(guò)譜，(b)和(c)分別為入射波長(zhǎng)λ在999nm和1062nm時(shí)的場(chǎng)分布圖；
圖4 (a)為本發(fā)明的超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)的具有三個(gè)諧振腔的實(shí)施例的透過(guò)譜，(b)、(c)和(d)分別為入射波長(zhǎng)λ在926nm、IOOlnm和1062nm時(shí)的場(chǎng)分布圖。
具體實(shí)施方式
+下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。如圖I所示，本發(fā)明的超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)包括金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)M波導(dǎo)，MM波導(dǎo)為三層平板結(jié)構(gòu)，第一層I和第三層3為金屬材料，二者之間為介質(zhì)層2 ;以及從側(cè)面耦合在金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo)上的多個(gè)共振波長(zhǎng)不同的分支諧振腔4,分支諧振腔4和介質(zhì)層2為相同的介質(zhì),為二維結(jié)構(gòu)。 在以下各個(gè)實(shí)施例中，MIM波導(dǎo)的第一層和第三層的金屬為銀，介質(zhì)層和分支諧振腔的介質(zhì)為空氣，并且各個(gè)分支諧振腔從同一側(cè)面耦合在MIM波導(dǎo)上。如圖I (a)所示，兩個(gè)不同的分支諧振腔從側(cè)面耦合在MIM波導(dǎo)上，形成雙諧振腔率禹合結(jié)構(gòu)。其中，介質(zhì)層2的厚度為t=50nm,分支諧振腔4的寬度為w=50nm,兩個(gè)諧振腔的長(zhǎng)度d分別為500nm和535nm。這種分支諧振腔可以產(chǎn)生半高全寬約為180nm的寬帶吸收光譜。當(dāng)兩個(gè)分支諧振腔的間距為L(zhǎng)=370nm時(shí)，寬帶的吸收譜中出現(xiàn)了一個(gè)明顯的透過(guò)峰，如圖2 (a)所示，這是典型的類EIT光學(xué)響應(yīng)。當(dāng)兩個(gè)諧振腔正好分別處在共振狀態(tài)時(shí)，也就是入射波長(zhǎng)為970nm和1030nm時(shí)，表面等離激元被諧振腔完全反射回去，分別如圖2(b)和圖2 (d)所示。而在這兩個(gè)共振波長(zhǎng)之間，在IOOlnm處，有一個(gè)非常窄的透過(guò)峰，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)分布如圖2 (c)所示。此時(shí)，爐|2 ^ /I = IOOInmJ =2;r?？梢钥吹?，圖2 (c)中表現(xiàn)出比圖2(b)和圖2 (d)強(qiáng)得多的場(chǎng)分布，這在增強(qiáng)非線性、調(diào)制器和傳感器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。在上述雙諧振腔耦合結(jié)構(gòu)的右側(cè)加一個(gè)長(zhǎng)度d=570nm的諧振腔，可以形成三諧振腔耦合結(jié)構(gòu)，如圖I (b)所示。調(diào)節(jié)第二個(gè)和第三個(gè)諧振腔的間距至L23=3 9 0nm，透過(guò)譜中在999nm和1062nm明顯出現(xiàn)了兩個(gè)相等的透過(guò)峰，呈現(xiàn)出兩個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)，如圖3(a)所示。這兩個(gè)透過(guò)峰處對(duì)應(yīng)的場(chǎng)分布分別如圖3 (b)和(c)所示。在入射波長(zhǎng)999nm (或1062nm)處，(b)(或(c))所示，左邊(或右邊)兩個(gè)分支諧振腔和它們之間的MM波導(dǎo)部分有很強(qiáng)的場(chǎng)分布，結(jié)果各導(dǎo)致了一個(gè)強(qiáng)的透過(guò)峰肩2 U=999em)=2;ra^23 ( A=1062nm)=2π)。這也說(shuō)明只有相鄰的分支諧振腔之間有強(qiáng)耦合，并且相干相長(zhǎng)發(fā)生在相鄰的分支諧振腔之間。上面的結(jié)構(gòu)還可以推廣到更多個(gè)諧振腔耦合的系統(tǒng)，從而產(chǎn)生多個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)。如圖I (c)所示，將長(zhǎng)度d=465nm的第四個(gè)分支諧振腔放在三腔耦合結(jié)構(gòu)的左邊，間距L12為335nm處，可以構(gòu)成四諧振腔耦合結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)的透過(guò)譜中，在入射波長(zhǎng)926nm、IOOlnm和1062nm處出現(xiàn)了三個(gè)透過(guò)峰，形成三個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)，如圖3a所示，Ψμ X=926nmJ =φ2, (A=IOOlnm) =^4C 1 = 1062) =2 τ 這三個(gè)類 EIT 光學(xué)響應(yīng)的透過(guò)峰的半高全寬只有6nm,遠(yuǎn)小于單個(gè)分支腔180nm的譜寬。三個(gè)共振峰波長(zhǎng)處對(duì)應(yīng)的場(chǎng)分布如圖4 (b)、(c)和(d)所示，也說(shuō)明上述三個(gè)共振峰對(duì)應(yīng)于表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)中出現(xiàn)增強(qiáng)的場(chǎng)分布。通過(guò)進(jìn)一步增加更多的分支諧振腔，還可以在上述表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)中獲得更多的類EIT光學(xué)響應(yīng)峰。因此，這種可以產(chǎn)生多個(gè)類EIT光學(xué)響應(yīng)峰的超緊湊耦合多腔系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜功能的納米光學(xué)器件。最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以 權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)包括金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo),MIM波導(dǎo)為三層平板結(jié)構(gòu),第一層(I)和第三層(3)為金屬材料，二者之間為介質(zhì)層(2)；以及從側(cè)面耦合在所述金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo)上的多個(gè)共振波長(zhǎng)不同的分支諧振腔(4 )，所述分支諧振腔(4 )和介質(zhì)層(2 )為相同的介質(zhì)。
2.如權(quán)利要求I所述的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述MIM波導(dǎo)的第一層(I)和第三層(2 )采用金或銀等金屬。
3.如權(quán)利要求I所述的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述介質(zhì)層(2)的厚度t在10納米至I微米之間。
4.如權(quán)利要求I所述的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)，其特征在于，兩個(gè)不同的所述分支諧振腔從側(cè)面耦合到MM波導(dǎo)上，兩個(gè)諧振腔的長(zhǎng)度d不同，之間的間距L在IOOnm IOOOnm之間，適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)兩個(gè)分支諧振腔之間的間距L，使得從第一個(gè)分支諧振腔到第二個(gè)分支諧振腔的累積相位延遲爐12 (Λ) =2π其中，λ為入射波長(zhǎng)。
5.如權(quán)利要求I所述的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)，其特征在于，η個(gè)不同的所述分支諧振腔從側(cè)面耦合到MM波導(dǎo)上，相鄰的兩個(gè)分支諧振腔之間的間距Lm (1 +1)在IOOnm IOOOnm之間，調(diào)節(jié)各個(gè)相鄰的分支諧振腔之間的間距Lm(m+n，使得從第m個(gè)分支諧振腔到第m+1個(gè)分支諧振腔的累積相位延遲^% +1) ( A ) ，其中，η為彡3的自然數(shù),m < η且為自然數(shù)，λ為入射波長(zhǎng)。
6.如權(quán)利要求I、4或5所述的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)，其特征在于，所述分支諧振腔的長(zhǎng)度d在IOOnm IOOOnm之間；寬度w在IOnm 1000 μ m之間。
7.如權(quán)利要求I所述的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)，其特征在于，各個(gè)所述分支諧振腔從同一側(cè)面耦合在所述MIM波導(dǎo)上，或者從不同的側(cè)面耦合在所述MIM波導(dǎo)上。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)。本發(fā)明的超緊湊的表面等離激元多腔耦合系統(tǒng)包括金屬-介質(zhì)-金屬M(fèi)IM波導(dǎo)；以及從側(cè)面耦合在MIM波導(dǎo)上的多個(gè)長(zhǎng)度不同的分支諧振腔。本發(fā)明采用從側(cè)面耦合在MIM波導(dǎo)上的多個(gè)共振波長(zhǎng)不同的分支諧振腔，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)類電磁感應(yīng)透明EIT光學(xué)響應(yīng)，具有更加復(fù)雜的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)多種功能器件，如通道選擇、通道分插復(fù)用器、多通道濾波器、多通道開關(guān)、波分復(fù)用器以及在納米光學(xué)電路和網(wǎng)絡(luò)中的復(fù)用/解復(fù)用器。本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于設(shè)計(jì)，便于制備，極大地提高了納米光學(xué)器件的性能，如提高器件的波長(zhǎng)分辨率、提高傳感靈敏度，降低調(diào)制器、光開關(guān)的泵浦閾值等。
文檔編號(hào)G02F1/365GK102890383SQ20121040338
公開日2013年1月23日 申請(qǐng)日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者陳建軍, 張茹, 肖井華, 王晨 申請(qǐng)人:北京郵電大學(xué)