本發(fā)明屬于納米光子學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及可見和/或近紅外波段光柵耦合器的制備技術(shù)，具體地說是涉及一種工作于可見和/或近紅外波段的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器及其制備方法。

背景技術(shù)：
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光柵耦合器在集成光學(xué)器件和大規(guī)模集成光路的構(gòu)建過程中具有重要作用，利用光柵耦合器，可以將可見和/或近紅外波段的光信號有效地引入或引出光學(xué)平面波導(dǎo)，從而實現(xiàn)光信號的定向傳輸以及后續(xù)處理。光柵耦合器是耦合光柵與平面波導(dǎo)的一個集成，根據(jù)耦合光柵所基于的材料，可以將現(xiàn)有的光柵耦合器劃分為兩類，即絕緣體光柵耦合器和金屬光柵耦合器。與金屬光柵耦合器相比，絕緣體光柵耦合器不存在自由載流子吸收對耦合效率的影響，而且也更容易與絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)集成，因此，在基于可見和/或近紅外波段的應(yīng)用中，絕緣體光柵耦合器占有主導(dǎo)地位。絕緣體光柵耦合器的耦合效率取決于耦合光柵的衍射效率，而耦合光柵的衍射效率又依賴于耦合光柵的厚度、側(cè)面形狀、折射率對比度(高折射率區(qū)域與低折射率區(qū)域的折射率之比)和占空比(也稱填充分?jǐn)?shù)，是高折射率區(qū)域的寬度與光柵常數(shù)之比)等，對于具有確定結(jié)構(gòu)的耦合光柵來說，折射率對比度是決定其衍射效率的關(guān)鍵因素，一般而言，高的折射率對比度將產(chǎn)生大的衍射效率。絕緣體耦合光柵與絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)的集成有兩種方法，一是先在襯底材料的表面構(gòu)建出所需的周期性結(jié)構(gòu)，然后再沉積上波導(dǎo)層，二是先在波導(dǎo)層中構(gòu)建出所需的周期性結(jié)構(gòu)，然后再沉積上覆蓋層作為襯底，這兩種方法具有完全相同的效果，所形成的光柵耦合器由于將耦合光柵埋藏于其中，因此可靠性較高，但是，在折射率型平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，波導(dǎo)材料的折射率比襯底材料和覆蓋材料的折射率要大，而常用的絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)材料，如SiO₂、Al₂O₃和PMMA(有機(jī)玻璃)等，其折射率都相對較小，受此限制，按上述方法集成而來的光柵耦合器不會具有較高的耦合效率。那么，如何才能在常用的絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)上構(gòu)建出高效率的光柵耦合器呢？這已經(jīng)成為近期研究所關(guān)注的一個重點(diǎn)，除此之外，還有一個問題也需引起注意，那就是在以往的關(guān)于光柵耦合器的研究中，由于側(cè)重點(diǎn)是耦合，希望能以較高的效率將一定極化方向的光信號引入或引出平面波導(dǎo)，因此耦合光柵大都采用了一維結(jié)構(gòu)，而非二維結(jié)構(gòu)。事實上，二維結(jié)構(gòu)的耦合光柵，特別是二維正交結(jié)構(gòu)的矩形耦合光柵，如果能使它的±1級衍射滿足相匹配條件，其與光學(xué)平面波導(dǎo)的結(jié)合也可以構(gòu)成高效的光柵耦合器，這種二維光柵耦合器不僅對光的極化方向不敏感，而且可以在實現(xiàn)光耦合的同時，借助于導(dǎo)波的形成以及衍射畸變，亦能實現(xiàn)光的濾波、分束和偏轉(zhuǎn)，這對于構(gòu)建功能性的集成光學(xué)器件以及以之為基礎(chǔ)的大規(guī)模集成光路來說具有重要意義。

金屬離子注入是一種成熟而且靈活的絕緣材料表面改性方法。將低能、高劑量的金屬離子(特別是Drude金屬離子)注入到絕緣體中，可以在絕緣體的近表面區(qū)域形成具有一定深度分布的金屬納米顆粒，換句話說，就是可以形成一層具有一定厚度的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料改性層，改性層的厚度以及金屬納米顆粒的平均尺寸和體積分?jǐn)?shù)可以通過改變金屬離子的注入能量和劑量進(jìn)行調(diào)控。值得注意的是，在一定劑量范圍內(nèi)，由金屬離子注入所形成的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料改性層仍然是絕緣的，但相比于未改性的絕緣體而言，其光學(xué)性質(zhì)卻顯著不同。金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料改性層存在一個與金屬納米顆粒表面等離子體相關(guān)的共振吸收波長λ_SPR，當(dāng)入射光的波長等于λ_SPR時，入射光將被強(qiáng)烈吸收，而當(dāng)入射光的波長大于λ_SPR時：首先，復(fù)合材料改性層的有效折射率的實部(在不引起混淆的情況下簡稱為折射率)比絕緣體的折射率大，這種折射率之間的差異與金屬納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)和入射光的波長相關(guān)，金屬納米顆粒的體積分?jǐn)?shù)越大，入射光的波長越接近λ_SPR，則折射率之間的差異就越大；其次，復(fù)合材料改性層的有效折射率的虛部(即消光系數(shù))在相當(dāng)大的一個波長范圍內(nèi)都很小，基本上可以忽略；再者，金屬納米顆粒的表面等離子體對入射光存在散射，進(jìn)而導(dǎo)致復(fù)合材料改性層的反射率有一個額外的增加，從Fresnel反射的觀點(diǎn)來看，這種反射率的額外增加可以看作是復(fù)合材料改性層的折射率有一個額外增加的結(jié)果。依據(jù)復(fù)合材料改性層所表現(xiàn)出來的上述光學(xué)性質(zhì)，我們有理由認(rèn)為，以絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)的金屬離子注入改性為基礎(chǔ)，通過對耦合光柵結(jié)構(gòu)(特別是光柵常數(shù))的合理設(shè)計，再結(jié)合電子束光刻和離子束刻蝕等微納加工技術(shù)，就有可能構(gòu)造出一種新型的高效率光柵耦合器。

最近，Stepanov等發(fā)表了一項研究成果(Applied Physics A(2013)111:261～264)，他們采用掃描電子顯微鏡中的Ni制校準(zhǔn)柵格作為注入模板，通過能量和劑量分別為40keV和5×10¹⁶cm^-2的Cu離子注入，在SiO₂薄板的表面形成了一種所謂的二維周期性等離子體結(jié)構(gòu)，對于波長為632.8nm的入射光，該結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了良好的衍射特性。值得注意的是，Stepanov等提出的二維周期性等離子體結(jié)構(gòu)雖然可以作為一種衍射光柵，但是，它還不能與SiO₂平面波導(dǎo)一起構(gòu)成實際可用的高效率光柵耦合器，最主要的原因就在于它的光柵常數(shù)過大，根據(jù)文獻(xiàn)所給出的掃描電鏡觀測結(jié)果，其在行與列上的光柵常數(shù)分別為49和36μm，對于可見和/或近紅外波段的應(yīng)用來說，如此大的光柵常數(shù)使得小級數(shù)的衍射根本無法滿足相匹配條件，因此也就不能在平面波導(dǎo)內(nèi)形成較強(qiáng)的導(dǎo)波。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明旨在提出一種工作于可見和/或近紅外波段的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器以及該型光柵耦合器的制備方法和應(yīng)用。

本發(fā)明為實現(xiàn)其目的所采取的技術(shù)方案如下：

金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器由金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵和絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)構(gòu)成，其中的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵是一種二維正交矩形衍射光柵，厚度為40～150nm，位于絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)表面因金屬離子注入而形成的改性層中，與絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)之間無明顯分界面。

優(yōu)選的，所述金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵中的金屬納米顆粒為Ag、Cu和Au這三種金屬納米顆粒其中之一。

優(yōu)選的，所述金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵在行和列上具有相同的光柵常數(shù)和占空比，光柵常數(shù)為絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)中金屬納米顆粒表面等離子體共振吸收波長的1.05～1.5倍，占空比是所述金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵中金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料的寬度與光柵常數(shù)之比，控制在30％～50％之間。

優(yōu)選的，所述絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)是由可見和/或近紅外波段透明的固體絕緣材料構(gòu)成的薄膜或薄板。

金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器的制備方法包括以下步驟：

(1)選取或制備具有一定厚度的絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)；

(2)將一定能量和劑量的金屬離子按一定方式注入到絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)中，在絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)的表面形成金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料改性層；

(3)利用電子束光刻技術(shù)，在金屬離子注入的絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)表面制備出帶有所需二維耦合光柵結(jié)構(gòu)信息的光刻膠掩膜層；

(4)依托絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)表面所形成的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料改性層，利用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為40～150nm，經(jīng)過隨后的除膠處理，構(gòu)建出所需的二維金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵。

優(yōu)選的，步驟(2)中所述金屬離子為Ag、Cu和Au這三種金屬離子其中之一。

優(yōu)選的，步驟(2)中所述金屬離子的注入方式或者為垂直注入，或者為傾斜注入。

優(yōu)選的，步驟(2)中所述金屬離子的注入或者針對于絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)表面的局部區(qū)域，或者針對于絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)表面的全部區(qū)域。

優(yōu)選的，步驟(2)中所述金屬離子的注入能量和劑量分別控制在40～100keV之間和5×10¹⁶～8×10¹⁶cm^-2之間，實際應(yīng)用值按預(yù)定策略確定。

所述預(yù)定策略包括：當(dāng)絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)的厚度為200～750nm時，所選金屬離子的注入能量和劑量應(yīng)使金屬離子的最大注入深度接近但不超過絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)厚度的1/5，即40～150nm；當(dāng)絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)的厚度大于750nm時，所選金屬離子的注入能量和劑量應(yīng)使金屬離子的最大注入深度接近但不超過150nm。

優(yōu)選的，步驟(4)中所述反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)包括冷卻液工藝。

優(yōu)選的，步驟(4)中所述刻蝕深度大于或等于金屬離子的最大注入深度。

上述金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器可在制備可見和/或近紅外波段的光耦合器、濾波器、分束器和偏轉(zhuǎn)器方面進(jìn)行應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果是：

相比于傳統(tǒng)的絕緣體光柵耦合器，本發(fā)明所公布的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器具有更高的耦合效率，而且不存在發(fā)生于金屬光柵耦合器中的因自由載流子吸收造成的損耗。以實施例中所提及的Ag納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器為例，當(dāng)入射光的波長為650nm時，其耦合效率比具有同樣結(jié)構(gòu)的SiO₂光柵耦合器高出至少3倍。此外，與傳統(tǒng)的由一維耦合光柵構(gòu)成的光柵耦合器相比，本發(fā)明所公布的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器由于采用了二維正交結(jié)構(gòu)的耦合光柵，因此它不僅對光的極化方向不敏感，而且可以在實現(xiàn)光耦合的同時，借助導(dǎo)波的形成和衍射畸變，亦能實現(xiàn)光的濾波、分束和偏轉(zhuǎn)，這對于構(gòu)建功能性的集成光學(xué)器件以及以之為基礎(chǔ)的大規(guī)模集成光路具有重要意義。

附圖說明：

圖1為金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器的局部結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器的制備流程示意圖。

圖3a為Ag離子注入SiO₂平面波導(dǎo)后所形成的Ag納米顆粒的深度分布。

圖3b為Ag納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的表面形貌。

圖4a為Cu離子注入SiO₂平面波導(dǎo)后所形成的Cu納米顆粒的深度分布。

圖4b為Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的表面形貌。

圖5為Ag納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器和Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的透射光譜。

圖6為導(dǎo)波的形成與控制示意圖。

圖中：1-金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵，2-絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)，3-金屬納米顆粒，4-金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料改性層，5-光刻膠掩膜層，6-SiO₂光學(xué)平面波導(dǎo)的表面，7-Ag納米顆粒，8-Ag納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料改性層，9-Cu納米顆粒，10-Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料改性層，11-Ag納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的透射光譜，12-Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的透射光譜，13-入射光，14-導(dǎo)波的傳播方向。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖和實施例來進(jìn)一步描述本發(fā)明。本部分描述屬于示范和解釋，不應(yīng)視為本發(fā)明所公開技術(shù)內(nèi)容的限制。

本發(fā)明所述金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵1和絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2構(gòu)成。金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵1是一種二維正交矩形衍射光柵，厚度為40～150nm，位于絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2的表面因金屬離子注入而形成的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料改性層4中，與絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2之間無明顯分界面。金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵1中的金屬納米顆粒3為Ag、Cu和Au這三種金屬納米顆粒其中之一。金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵1在行和列上具有相同的光柵常數(shù)和占空比，光柵常數(shù)為絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2中金屬納米顆粒表面等離子體共振吸收波長的1.05～1.5倍，占空比是金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵1中金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料的寬度與光柵常數(shù)之比，控制在30％～50％之間。絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2是由可見和/或近紅外波段透明的固體絕緣材料構(gòu)成的薄膜或薄板。

本發(fā)明所述的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料光柵耦合器按圖2所示步驟制備：

(1)選取或制備具有一定厚度的絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2；

(2)將一定能量和劑量的金屬離子按一定方式注入到絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2中，在絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2的近表面區(qū)域形成具有一定深度分布的金屬納米顆粒3，亦即形成一層具有一定厚度的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料改性層4；

(3)利用電子束光刻技術(shù)，在金屬離子注入的絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2的表面制備出帶有所需二維耦合光柵結(jié)構(gòu)信息的光刻膠掩膜層5；

(4)依托絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2表面所形成的金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料改性層4，利用反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)進(jìn)行刻蝕，刻蝕深度為40～150nm，經(jīng)過隨后的除膠處理，構(gòu)建出所需的二維金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料耦合光柵1。

所述步驟(2)中，金屬離子為Ag、Cu和Au這三種金屬離子其中之一，金屬離子的注入能量和劑量分別為40～100keV和5×10¹⁶～8×10¹⁶cm^-2，注入方式或者為垂直注入，或者為傾斜注入，注入?yún)^(qū)域或者為絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2的局部表面，或者為絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2的全部表面。實際采用的金屬離子注入能量和劑量可在所給范圍內(nèi)按預(yù)定策略，通過下述過程確定：①選擇絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)的材料以及要注入的金屬離子和金屬離子的注入方式；②選擇一個注入能量，利用SRIM(Stopping and Range of Ions in Matter)軟件進(jìn)行計算，確定相應(yīng)的濺射產(chǎn)額Y、投影射程R_p和射程歧離△R_p；③選擇一個注入劑量，結(jié)合所得到的Y、R_p和△R_p，計算注入金屬離子的深度分布函數(shù)G(z)，由此確定金屬離子的最大注入深度；④如果計算出來的金屬離子的最大注入深度不符合預(yù)定策略，則應(yīng)重新選擇注入能量和劑量，直至計算結(jié)果符合預(yù)定策略。

預(yù)定策略包括：當(dāng)絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2的厚度為200～750nm時，所選金屬離子的注入能量和劑量應(yīng)使金屬離子的最大注入深度接近但不超過絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2厚度的1/5，即40～150nm；當(dāng)絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2的厚度大于750nm時，所選金屬離子的注入能量和劑量應(yīng)使金屬離子的最大注入深度接近但不超過150nm。

注入金屬離子的深度分布函數(shù)G(z)的具體形式為：

式中，z為相對于絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2即時表面的深度，N為絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)2所用材料的原子密度，D為金屬離子的注入劑量，erf()為誤差函數(shù)。

所述步驟(4)中的反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)包括冷卻液工藝，刻蝕深度大于或等于金屬離子的最大注入深度。

根據(jù)圖2所示步驟，實際制備了Ag納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器和Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器，主要的制備參數(shù)及說明如下：SiO₂平面波導(dǎo)的表面尺寸約為20×20mm²，厚度約為0.5mm；Ag和Cu離子均采用傾斜45°的方式注入，針對SiO₂平面波導(dǎo)的全部表面；根據(jù)注入機(jī)的使用條件，結(jié)合預(yù)定策略，Ag和Cu離子的注入能量分別定為90和60keV，注入劑量均定為6×10¹⁶cm^-2；耦合光柵采用二維正交矩形結(jié)構(gòu)，其表面尺寸約為4×4mm²，厚度約為100nm，行與列的光柵常數(shù)均為600nm，占空比均為30％，600nm的光柵常數(shù)約為SiO₂中Ag納米顆粒表面等離子體共振吸收波長(～414nm)的1.45倍和SiO₂中Cu納米顆粒表面等離子體共振吸收波長(～564nm)的1.06倍；刻蝕環(huán)節(jié)采用的氣氛為CHF₃和Ar，刻蝕深度約為100nm，大于Ag和Cu離子在SiO₂平面波導(dǎo)中的最大注入深度。

圖3a所示為Ag離子注入SiO₂平面波導(dǎo)后所形成的Ag納米顆粒的深度分布，從圖中可以看出，Ag納米顆粒7近似為球形，主要分布在SiO₂平面波導(dǎo)的表面6以下5.5～83.0nm的區(qū)域，由此可知Ag納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料改性層8的厚度約為77.5nm。Ag納米顆粒7明顯地分為三層，上層和下層的Ag納米顆粒相對較小，而中層的Ag納米顆粒相對較大。統(tǒng)計結(jié)果表明，Ag納米顆粒7的平均直徑約為3.7nm，利用此平均直徑，根據(jù)吸收光譜的測量結(jié)果以及相應(yīng)的擬合計算可知，Ag納米顆粒7在復(fù)合材料改性層8中所占的體積分?jǐn)?shù)約為24％。利用Ag的介電函數(shù)、Ag納米顆粒的平均直徑和體積分?jǐn)?shù)以及SiO₂的介電常數(shù)，根據(jù)M-G理論，可以計算出復(fù)合材料改性層8的折射率(即有效折射率的實部)和消光系數(shù)，取入射光的波長為650nm，計算得到的折射率和消光系數(shù)分別為1.82和0.05。圖3b所示為Ag納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的表面形貌，對于該光柵耦合器來說，當(dāng)入射光的波長為650nm時，其耦合光柵的折射率對比度約為1.82，而具有同樣結(jié)構(gòu)的SiO₂耦合光柵的折射率對比度僅約1.46，根據(jù)Ghizoni等關(guān)于光柵耦合器的理論研究(IEEE Journal of Quantum Electronics(1976)12(2):69～73)，即使不考慮Ag納米顆粒表面等離子體對光的散射所引起的折射率對比度的額外調(diào)制，亦可估算出該光柵耦合器的耦合效率要比同樣結(jié)構(gòu)的SiO₂光柵耦合器的耦合效率提高約318％，進(jìn)一步地，如果適當(dāng)增加Ag離子的注入劑量，或者采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ种艫g離子注入過程中的自濺射，耦合效率還可以獲得更大的提高。

如圖4a所示，Cu離子注入SiO₂平面波導(dǎo)后所形成的Cu納米顆粒9也大致為球形，主要分布于SiO₂平面波導(dǎo)的表面6以下5.2～62.5nm的深度區(qū)域，由此可知Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料改性層10的厚度約為57.3nm。與圖3a中的Ag納米顆粒7相比，Cu納米顆粒9的尺寸隨深度的變化不是非常劇烈，但也可以大致分為三層，上層和下層的Cu納米顆粒相對較小，而中層的Cu納米顆粒相對較大。統(tǒng)計結(jié)果表明，Cu納米顆粒9的平均直徑約為3.2nm，略小于圖3a中Ag納米顆粒7的平均直徑。圖4b為Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的表面形貌，其與圖3b所示結(jié)果基本一致，反映出電子束光刻和反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)能夠在亞微米尺度提供足夠高的加工精度。由于Cu離子注入SiO₂平面波導(dǎo)后，除了可以形成Cu納米顆粒9以外，還可以形成Cu₂O和CuO納米團(tuán)簇，因此難以根據(jù)Cu納米顆粒9的平均尺寸和吸收譜的測量結(jié)果給出Cu納米顆粒9在復(fù)合材料改性層10中所占的體積分?jǐn)?shù)，因而也就無法對圖4b所示的Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器進(jìn)行耦合效率的評價，盡管如此，相比于同樣結(jié)構(gòu)的SiO₂光柵耦合器，其耦合效率存在一個較大的提高仍然是可以期待的。

圖5給出了Ag納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器和Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的透射光譜。從圖中可以看出，Ag納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的透射光譜11上存在兩個明顯的透射率減小帶，一個位于414nm波長附近，其來源于Ag納米顆粒7(見圖3a)的表面等離子體共振吸收，另一個位于620～880nm的波長范圍之間，該透射率減小帶在Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的透射光譜12上也存在，只是透射率的減小程度相對較小。在Cu納米顆粒－SiO₂復(fù)合材料光柵耦合器的透射光譜12上也可以找到由Cu納米顆粒9(見圖4a)表面等離子體共振吸收引起的透射率減小帶，其位于564nm附近。對于兩組光譜中出現(xiàn)于620～880nm之間的透射率減小帶，它們的產(chǎn)生可以歸結(jié)于導(dǎo)波的形成，如圖6的所示。當(dāng)入射光13垂直照射到光柵耦合器的表面時，±1級衍射光由于能夠滿足相匹配條件而被引入SiO₂平面波導(dǎo)，進(jìn)而形成4束導(dǎo)波，導(dǎo)波的傳播方向14分別為x軸(對應(yīng)耦合光柵的行)和y軸(對應(yīng)耦合光柵的列)的正負(fù)方向。由于所制備的光柵耦合器采用了二維正交結(jié)構(gòu)的耦合光柵，因此導(dǎo)波的形成對入射光13的極化方向不敏感，此外，由于相匹配條件對入射光13的波長存在選擇性，因此并不是所有波長的入射光13都能被耦合進(jìn)SiO₂平面波導(dǎo)，這也就意味著，利用導(dǎo)波的形成，所制備的光柵耦合器不僅能夠?qū)崿F(xiàn)入射光13的分束，而且具有寬帶濾波的效果，相對帶寬約為34.7％。值得注意的是，改變?nèi)肷浣?，由于衍射畸變，部分?dǎo)波的傳播方向14亦將發(fā)生變化，例如，將x-z平面內(nèi)的入射光13繞z軸向x軸的負(fù)向偏轉(zhuǎn)，會導(dǎo)致y軸上的兩束導(dǎo)波在x-y平面內(nèi)向x軸的正向偏轉(zhuǎn)，這也就是說，借助導(dǎo)波的形成，利用衍射畸變，所制備的光柵耦合器還可以實現(xiàn)光的偏轉(zhuǎn)。

本發(fā)明以常用的絕緣體光學(xué)平面波導(dǎo)為基礎(chǔ)，采用金屬離子注入、電子束光刻和離子束刻蝕等技術(shù)，通過合理選擇金屬離子的種類以及注入條件，并對耦合光柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行恰當(dāng)設(shè)計，構(gòu)建出一種基于金屬納米顆粒－絕緣體復(fù)合材料的高效率二維光柵耦合器，其工作于可見和/或近紅外波段，不僅對光的極化方向不敏感，而且可以在實現(xiàn)光耦合的同時，借助于導(dǎo)波的形成和衍射畸變，亦能實現(xiàn)光的濾波、分束和偏轉(zhuǎn)。