基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其中，第一至第三種結構是自由空間耦合結構，第四種結構是端面耦合結構。上述四種結構，均無需使用高折射率棱鏡耦合，更利于光學元件的集成，同時光的傳播距離可達到毫米量級，可廣泛用于光學元件中。結構簡單，在不使用高折射率棱鏡的情況下，SPPs很容易耦合，更利于光學元件的集成，同時光的傳播距離可達到毫米量級，可廣泛用于光學元件中。
【專利說明】基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構。

【背景技術】
[0002]表面等離子體(surface plasmons)是一種電磁表面波,它在表面處場強最大,在垂直于界面方向是指數衰減場，它能夠被電子也能被光波激發(fā)。由于在一般情況下(對于連續(xù)的金屬介質界面)，表面等離子體波的波矢量大于光波的波矢量，所以不可能直接用光波激發(fā)出沿界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體波(propagating surface plasmon)。
[0003]為了激勵表面等離子體波，需要引入一些特殊的結構達到波矢匹配，常用的有兩種:一種是Kretschmann結構，即金屬薄膜直接鍍在棱鏡面上,入射光在金屬_棱鏡界面處會發(fā)生全反射，全反射的消逝波(又稱表面波)可能實現與表面等離子體波的波矢量匹配，光的能量便能有效的傳遞給表面等離子體，從而激發(fā)出表面等離子體波。另一種是Otto結構，即具有高折射率的棱鏡和金屬之間存在狹縫，狹縫的寬度比較小，大約幾十到幾百個納米。
[0004]可見上述兩種結構都需要使用高折射率的棱鏡來激發(fā)表面等離子體。目前在平坦的金屬表面激發(fā)表面等離子體波必須借助于棱鏡或者光柵耦合的方式，這在一定程度上限制了相關SPP器件(SPP:surface plasmon polaritons,表面等離子體激元)的小型化、微型化。如果不使用棱鏡或者光柵，則更利于光學元件的集成，甚至集成在一塊芯片中。
[0005]另外，傳統(tǒng)的SPPs (表面等離子體激元或者表面等離子體波的縮寫)的傳輸距離很短，在可見光波段的傳播長度在1-1OOum之間，無法達到光學元件中對光傳播距離的要求。


【發(fā)明內容】

[0006]針對上述問題，本發(fā)明提供基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，在不使用高折射率棱鏡的情況下，表面等離子體激元很容易耦合，更利于光學元件的集成，同時光的傳播距離可達到毫米量級，可廣泛用于光學元件中。
[0007]為實現上述技術目的，達到上述技術效果，本發(fā)明可以通過以下四種技術方案實現，分別如下:
[0008]第一種結構:基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，包括介電系數是ε Iil的金屬膜層，所述金屬膜層底部設置有超材料層，所述超材料層的介電系數
? ^ 一1g金屬?超材W弋",一~:~ °
1 - ?金屬
[0009]第二種結構:在第一種結構的基礎上，在超材料層底部設置有玻璃襯底層。
[0010]第三種結構:基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，包括介電系數是ε 的金屬基板層，所述金屬基板層頂部設置有超材料層，所述超材料層的介電 ^超材料 < I _。
1 *基板
[0011]第四種結構:基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，包括相連的上下兩層結構，其中頂層是介電系數為ε Ijs的金屬膜層，底層的一端是超材料層，所


屬述超材料層的介電系數％材料<所述超材料層的端部和金屬膜層一端對齊且超材


1 — ?金屬料層的長度小于金屬膜層的長度。
[0012]其中，第一至第三種結構是自由空間耦合結構，第四種結構是端面耦合結構。上述四種結構，均無需使用高折射率棱鏡耦合，更利于光學元件的集成，同時光的傳播距離可達到毫米量級，可廣泛用于光學元件中。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:結構簡單，在不使用高折射率棱鏡的情況下，表面等離子體激元很容易耦合，更利于光學元件的集成，同時光的傳播距離可達到毫米量級，可廣泛用于光學元件中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是金屬和介質的界面上激發(fā)表面等離子體波的相關物理量的示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明用于長距離傳播光的裝置的三種結構示意圖；
[0016]圖3是金屬膜層厚度對表面波耦合深度的影響的示意圖；
[0017]圖4是超材料的介電系數的虛部對表面波耦合的影響的示意圖；
[0018]圖5是圖2中第⑴種結構超材料介電系數的不同的虛部對表面波耦合深度的影響的示意圖；
[0019]圖6是圖2中第(2)種結構超材料的厚度對表面波耦合深度的影響的示意圖；
[0020]圖7是SPPs的傳播距離的示意圖；
[0021]圖8是本發(fā)明用于長距離傳播光的裝置的第四種結構示意圖；
[0022]附圖的標記含義如下:
[0023]1:空氣；2:金屬膜層；3:超材料層；4:玻璃襯底層；5:石英玻璃層；6:金屬基板層；7:空隙。

【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明技術方案作進一步的詳細描述，以使本領域的技術人員可以更好的理解本發(fā)明并能予以實施，但所舉實施例不作為對本發(fā)明的限定。
[0025]圖1是金屬和介質的界面上激發(fā)表面等離子體波(下文簡稱表面波)的相關物理量的示意圖，而表面波的色散關系由下面這個公式給出:
0 (ωλ I ελε?
[0026]β= — J~l^-
Uy v￡i +
[0027]式中:ε i是金屬的介電系數，ε 2是介質的介電系數，β是表面等離子波的傳播常數，ω是頻率，c是光速。圖1中，ξ是金屬中的波矢，ζ是介質中的波矢，ζ是金屬中的橫向波矢，?Γ是介質中的橫向波矢。
[0028]通過分析可以發(fā)現，當-^1條件滿足時，存在傳播常數為實數，且
L1-^i 」
此時無法從空氣I中直接使用激光來激發(fā)表面等離子體，而需要借助高折射率棱
C鏡。
[0029]但是，如果介質的介電系數〃的時候，會發(fā)現/?<$，即可以在自由空
"6IC
間中直接激發(fā)金屬和這種介質界面上的表面波，而不需要棱鏡，這就是本專利設想的理論基礎。
[0030]自然界中的非金屬材料的介電系數的實部都是大于I的，因此空氣I是自然界中介電系數最小的非金屬材料了。根據SPW(金屬表面等離子體波)的激發(fā)條件，無法利用激光在空氣I (自由空間)中直接照射在金屬表面的方式來激發(fā)表面等離子體波。但是隨著超材料(指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料)的出現，迄今發(fā)展出的“超材料”包括:“左手材料”、光子晶體、“超磁性材料”等?！白笫植牧稀笔且活愒谝欢ǖ念l段下同時具有負的磁導率和負的介電常數的材料系統(tǒng)(對電磁波的傳播形成負的折射率)。近一兩年來“左手材料”引起了學術界的廣泛關注，曾被美國《科學》雜志評為2003年的〃年度十大科學突破〃之一。目前可以通過多種工藝獲得介電系數
&〈^^吣1的超材料，比如光刻、離子注入、化學方法的自組裝等等。
[0031]本發(fā)明共有四種結構可以在光學元件中用于長距離傳播表面波，其中三種是自由空間耦合結構(可以從自由空間中比如空氣I中直接將一束激光耦合進金屬表面等離子體中進行傳輸)，一種是端面耦合結構。三種自由空間耦合結構見圖2所示，每一列的上部分是裝置的結構，下部分是對應的仿真結果，需說明的是，由于金屬膜層2的厚度才幾十納米，超薄，因此在結構示意圖中可以畫出來，但仿真是真實的比例，因此仿真圖中未顯示金屬膜層2。
[0032]第(I)種結構，基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，包括介電系數是ε 的金屬膜層2，所述金屬膜層2底部設置有超材料層3，所述超材料層3的介電系數
令雇
%材《 <。這是基本結構，此種結構超材料層3的厚度比較厚，因此價格比較昂貴，因
丄―占金屬此可以采用第(2)種結構，即在第(I)種結構的基礎上，在超材料層3底部設置有玻璃襯底層4，也就是，在玻璃襯底層4上做很薄的一層超材料層3，然后再鍍金屬膜層2，比如金膜或銀膜，這樣超材料層3比第(I)種結構的薄，可以節(jié)約成本。
[0033]第(3)種結構，基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，包括介電系數是ε Mg的金屬基板層6，所述金屬基板層6頂部設置有超材料層3，所述超材料層3的介電系
Γ^ ~^基板數湘。即在金屬基板層6的表面(不是金屬膜)鍍一層薄的超材料層3。
[0034]圖2中下面對應的仿真結果表面,激光在空氣I (自由空間)中直接照射在金屬表面，三種結構都可以激發(fā)SPP，并且是在自由空間中激發(fā)的，不需要任何的棱鏡或者光柵耦合結構。這里只用到了鍍膜的平面工藝，因此可以在以后設計全光芯片。
[0035]其中，不同的參數對模式耦合具有不同的影響。
[0036]圖3中通過仿真，顯示了金屬膜層2厚度對表面波耦合深度的影響，仿真的其它參數為:激光波長780nm,金屬膜的介電系數ε =-20+1.5i,超材料的介電系數ε &彳料=
0.5。圖6是本發(fā)明第(2)種結構的仿真圖，其中，仿真的光波長為650nm，金屬膜層2采用銀膜層，銀的介電系數為-19.6+0.47i，銀膜層厚度為45nm，超材料的介電系數為0.5，玻璃襯底層4的介電系數為2.25，這時候改變超材料層3薄膜P的厚度，SPPs的耦合深度也會發(fā)生變化，如圖6所示，這個超材料層3膜厚P必須超過一定的深度(約1.5um)，耦合深度才深。
[0037]圖4是超材料的介電系數的虛部對表面波耦合的影響，仿真的其它參數為:激光波長780nm，金屬膜介電系數ε =-20+1.5i，超材料的介電系數實部ε 丨部=0.5，金屬膜層2的厚度為35nm。由圖4可知，超材料的介電系數虛部應該比較小，才可以獲得比較深的耦合深度。圖5是本發(fā)明第⑴種結構的仿真圖，其中，仿真的光波長為650nm，金屬膜層2采用銀膜層，銀的介電系數為-19.6+0.47i，銀膜層厚度為45nm，超材料的介電系數的實部為0.5，圖中的不同曲線對應了超材料介電系數的不同的虛部，這幅圖可以看到，超材料的虛部必須很小，當虛部為0.05時，基本已經沒有吸收峰了。
[0038]圖7仿真了 SPPs的傳播距離，沒有使用超材料的SPPs在可見光波段的傳播長度在1-1OOum之間，而超材料支持的超高階導模的傳播長度很容易達到毫米量級，在一個光學芯片中，已經足夠了。
[0039]上述三種結構均是自由空間耦合結構，在金屬和材料的表面直接激發(fā)表面波，這種技術避免了使用高折射率的棱鏡，或者在金屬表面加工光柵，而下述的第四種結構則是端面耦合結構，即從側面即端面直接把光打進SPPs中。
[0040]如圖8所示，基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，包括相連的上下兩層結構，其中頂層是介電系數為ε Ijs的金屬膜層2，優(yōu)選金屬膜層2是金層或銀層。底層




傘屬的一端(即圖中的左端)是超材料層3，所述超材料層3的介電系數<737^，所述




金屬超材料層3的端部和金屬膜層2 —端對齊且超材料層3的長度小于金屬膜層2的長度。
[0041]底層的另一端可以設置成任意的器件，只要接上就可以把光傳輸出去，圖8中，采用長度為8 μ m、厚度為I μ m的銀層,而超材料層3的長度為5 μ m、厚度為3 μ m,上部分的結構中，底層的另一端(即右端)是空氣I構成的空隙7，長度是3 μ m、厚度也是3 μ m ;下部分的結構中，底層的另一端(即右端)是石英玻璃層5，其長度是3 μ m、厚度也是3 μ m。直接從最左端的空氣I把激光打進SPPs中，圖的右邊說明這種超材料支撐的SPPs可以順利的轉入其它材料支撐的SPPs中，上面一副圖是轉到空氣I中，下面一幅圖轉到了石英玻璃中，但下面一幅圖有一部分的光泄露了(見箭頭部分所示)，因此考慮到成本、重量、效果等因素，優(yōu)選底層的另一端(即右端)是空氣I構成的空隙7。
[0042]在未來，光子芯片必然會取代目前的電子芯片的，而光子芯片中需要使用“導線”在這些元件之中傳輸能量，而上述四種結構可以作為“導線”使用，結構簡單，在不使用高折射率棱鏡的情況下，表面等離子體激元很容易耦合，更利于光學元件的集成，同時光的傳播距離可達到毫米量級，可以真正實現在一個光學芯片上集成各種光子器件，以及它們之間的能量傳輸，可廣泛用于光學元件中。
[0043]以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內容所作的等效結構或者等效流程變換，或者直接或間接運用在其他相關的【技術領域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內。
【權利要求】
1.基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，包括介電系數是ε的金屬膜層(2)，所述金屬膜層(2)底部設置有超材料層(3)，所述超材料層(3)的介電系
—S今雇數5超材料
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2.根據權利要求1所述的基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，所述超材料層(3)底部設置有玻璃襯底層(4)。
3.根據權利要求1所述的基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，所述金屬膜層(2)是金膜層或銀膜層。
4.基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，包括介電系數是ε的金屬基板層出)，所述金屬基板層(6)頂部設置有超材料層(3)，所述超材料層(3)的介電系數％湘<7^^。
1 一占基板
5.基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，包括相連的上下兩層結構，其中頂層是介電系數為ε ^^的金屬膜層(2)，底層的一端是超材料層(3)，所述超材
-全雇料層⑶的介電系數.所述超材料層⑶的端部和金屬膜層⑵一端對齊且超材料層(3)的長度小于金屬膜層(2)的長度。
6.根據權利要求5所述的基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，所述底層的另一端是與超材料層(3)相連的石英玻璃層(5)，所述石英玻璃層(5)的長度等于金屬膜層(2)和超材料層(3)的長度之差。
7.根據權利要求5所述的基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，所述底層的另一端是空氣構成的空隙(7)。
8.根據權利要求5-7任意一項所述的基于超材料的表面波的激發(fā)和長距離傳輸結構，其特征在于，所述金屬膜層(2)是金層或銀層。
【文檔編號】G02B6/122GK104133269SQ201410380660
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年8月4日 優(yōu)先權日:2014年8月4日
【發(fā)明者】殷澄, 姚澄, 單鳴雷, 高遠, 韓慶邦, 朱昌平 申請人:河海大學常州校區(qū)