表面等離激元波導(dǎo)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及波導(dǎo)領(lǐng)域，特別涉及一種表面等離激元波導(dǎo)。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)光波(電磁波)入射到金屬與介質(zhì)分界面時(shí)，金屬表面的自由電子將發(fā)生集體振蕩，光波與所述金屬表面附近的自由電子耦合而形成一種沿著金屬表面?zhèn)鞑サ慕鼒?chǎng)電磁波。如果所述金屬表面的自由電子的振蕩頻率與入射光波的頻率一致就會(huì)產(chǎn)生共振，在共振狀態(tài)下，電磁場(chǎng)的能量被有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俦砻孀杂呻娮拥募w振動(dòng)能，這時(shí)，便形成了一種特殊的電磁模式:電磁場(chǎng)被局限在金屬表面很小的范圍內(nèi)并發(fā)生增強(qiáng)。這種現(xiàn)象被稱為表面等離激元(Surface Plasmon)現(xiàn)象。
[0003]由于表面等離激元的上述現(xiàn)象，使得人們可以利用表面等離激元在微米乃至納米尺度的范圍內(nèi)對(duì)光(電磁波)進(jìn)行操控，因此普遍認(rèn)為表面等離激元將在納米光子學(xué)領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用?；诒砻娴入x激元的各種器件的研究以及相關(guān)理論研究成為近年來的熱點(diǎn)，吸引著眾多科研人員的關(guān)注。
[0004]目前，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)于器件微型化和高度集成化的要求越來越高，在納米尺度上實(shí)現(xiàn)信息的傳輸處理已經(jīng)成為科學(xué)研究的一個(gè)重要課題。表面等離激元能夠突破衍射極限，并具有很強(qiáng)的局域場(chǎng)增強(qiáng)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)納米尺度的光信息傳輸與處理。另外表面等離激元的獨(dú)特特性，使得它在高靈敏生物檢測(cè)、傳感和新型光源等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0005]在納米尺度的光信息傳輸?shù)南嚓P(guān)研究中，表面等離激元波導(dǎo)是一個(gè)重要的研究方向，并且已有一些相關(guān)的成果。例如，金屬層與低折射率介質(zhì)層依次疊放而形成多層波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；又如負(fù)載介質(zhì)的表面等離激兀波導(dǎo)(Dielectric-loaded surface plasmon-po lari tonwaveguides)等。
[0006]負(fù)載介質(zhì)的表面等離激元波導(dǎo)是在金屬上或金屬膜上進(jìn)行制備，高折射率介質(zhì)作為波導(dǎo)的芯層，外圍低折射率介質(zhì)部分為包層。因?yàn)樵谛緦雍桶鼘咏缑嫣幍谋砻娴入x激元是以全內(nèi)反射的形式沿波導(dǎo)傳播，導(dǎo)致在包層中有一定比例的能量傳播，使得能量的局域性變差。另外，上述兩種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，如果兩個(gè)波導(dǎo)距離較近，則會(huì)產(chǎn)生模式的重疊出現(xiàn)串?dāng)_，同時(shí)，上述兩種波導(dǎo)在轉(zhuǎn)彎時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)彎半徑有限制，不能實(shí)現(xiàn)小轉(zhuǎn)彎半徑的轉(zhuǎn)彎，在轉(zhuǎn)彎半徑不太大，例如轉(zhuǎn)彎半徑不超過等效波長(zhǎng)的情況下，對(duì)轉(zhuǎn)彎角度也有限制，不能實(shí)現(xiàn)180度甚至360度的大角度轉(zhuǎn)彎。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明提供一種表面等離激元波導(dǎo)，以使得表面等離激元傳播的局域性好，避免波導(dǎo)間的串?dāng)_，并實(shí)現(xiàn)表面等離激元的小半徑大角度轉(zhuǎn)彎傳播。
[0008]本申請(qǐng)的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0009]一種表面等離激元波導(dǎo)，包括:
[0010]金屬襯底，以及位于所述襯底上的且相互平行的至少2個(gè)金屬墻；
[0011]所述金屬墻之間形成溝槽，使得表面等離激元在所述溝槽底部的金屬襯底表面沿著所述溝槽的延伸方向傳播。
[0012]進(jìn)一步，所述表面等離激元波導(dǎo)還包括:
[0013]位于所述金屬襯底表面和金屬墻表面的介質(zhì)層。
[0014]進(jìn)一步，所述金屬墻之間的溝槽寬度大于所述表面等離激元等效波長(zhǎng)的一半。
[0015]進(jìn)一步，所述金屬墻的高度大于等于50nm。
[0016]進(jìn)一步，所述金屬墻的厚度大于等于所述表面等離激元在該金屬墻中穿透深度的4倍。
[0017]進(jìn)一步,所述金屬墻的厚度大于等于lOOnm。
[0018]進(jìn)一步，在工作波長(zhǎng)下，所述金屬襯底和金屬墻材料的介電常數(shù)的實(shí)部小于零。
[0019]進(jìn)一步，所述金屬襯底材料和金屬墻材料相同或者不同。
[0020]進(jìn)一步，所述金屬墻材料由一種材料構(gòu)成；或者，所述金屬墻材料由疊加的至少兩種材料層構(gòu)成。
[0021]進(jìn)一步，所述金屬襯底和金屬墻的材料包括金、銀、鋁中至少1種金屬或者至少2種金屬的合金。
[0022]進(jìn)一步，所述介質(zhì)層材料的介電常數(shù)實(shí)部大于零，且所述介質(zhì)層材料的介電常數(shù)實(shí)部的絕對(duì)值小于所述金屬襯底和金屬墻材料介電常數(shù)實(shí)部的絕對(duì)值。
[0023]進(jìn)一步，所述介質(zhì)層材料包括空氣、水、二氧化硅和/或硅。
[0024]進(jìn)一步:
[0025]位于所述溝槽兩側(cè)的金屬墻側(cè)壁在所述金屬襯底表面呈直線延伸；或者
[0026]位于所述溝槽兩側(cè)的金屬墻側(cè)壁在所述金屬襯底表面呈折線延伸；或者
[0027]位于所述溝槽兩側(cè)的金屬墻側(cè)壁在所述金屬襯底表面呈曲線延伸；或者
[0028]位于所述溝槽兩側(cè)的金屬墻側(cè)壁在所述金屬襯底表面呈直線、折線和曲線相結(jié)合形式延伸。
[0029]從上述方案可以看出，本發(fā)明的表面等離激元波導(dǎo)，由于金屬襯底表面金屬墻的存在進(jìn)而能夠在金屬墻之間的溝槽中形成金屬墻到金屬墻的橫向局域性的電磁場(chǎng)，限制表面等離激元向金屬墻外的傳播，使得表面等離激元僅能夠在金屬墻之間的金屬襯底和介質(zhì)層的界面上沿著溝槽的延伸方向傳播。本發(fā)明中，波導(dǎo)內(nèi)和波導(dǎo)外的表面等離激元可在同一個(gè)表面上傳播，并且，通過波導(dǎo)的開口可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)內(nèi)和波導(dǎo)外傳播的表面等離激元之間的轉(zhuǎn)換。由于金屬墻對(duì)波導(dǎo)中的表面等離激元有著很好的局域效果，即使兩個(gè)波導(dǎo)間隔很小(金屬墻的寬度大于表面等離激元穿透深度的4倍(約100納米))也可以避免波導(dǎo)間的串?dāng)_。利用金屬壁對(duì)波導(dǎo)中傳播的表面等離激元的反射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了表面等離激元的小半徑大角度轉(zhuǎn)彎傳播以及在光分束器中的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0030]圖la為本發(fā)明的表面等離激元波導(dǎo)的第一具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖lb為圖la所示實(shí)施例結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0032]圖2a為本發(fā)明的表面等離激元波導(dǎo)的第二具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2b為圖2a所示實(shí)施例結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0034]圖3a為本發(fā)明的表面等離激元波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)90度轉(zhuǎn)彎的實(shí)施例俯視示意圖；
[0035]圖3b為本發(fā)明的表面等離激元波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)180度轉(zhuǎn)彎的實(shí)施例俯視示意圖；
[0036]圖4a至圖4c為本發(fā)明應(yīng)用于光分束器的實(shí)施例俯視結(jié)構(gòu)圖；
[0037]圖5a至圖5e為本發(fā)明的表面等離激元波導(dǎo)的實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖；
[0038]圖6a為本發(fā)明的表面等離激元波導(dǎo)中電場(chǎng)分布截面示意圖；
[0039]圖6b為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)90度轉(zhuǎn)彎時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布示意圖；
[0040]圖6c為本發(fā)明實(shí)現(xiàn)180度轉(zhuǎn)彎時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度分布示意圖；
[0041]圖7a為本發(fā)明用于光分束器的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖；
[0042]圖7b為本發(fā)明用于180度光分束器的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖；
[0043]圖7c為本發(fā)明用于360度光分束器的電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0045]本發(fā)明的表面等離激元波導(dǎo)，主要包括金屬襯底以及位于所述襯底上的且相互平行的至少2個(gè)金屬墻；其中，所述金屬墻之間形成溝槽，在所述溝槽內(nèi)，由于金屬墻的約束形成從金屬墻到金屬墻的橫向局域性的電磁場(chǎng)，使得表面等離激元在所述溝槽底部的金屬襯底表面沿著所述溝槽的延伸方向傳播。
[0046]圖la為本發(fā)明的表面等離激元波導(dǎo)的一個(gè)具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，圖lb為圖la所示實(shí)施例結(jié)構(gòu)的截面圖。該實(shí)施例中，所述表面等離激元波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中位于金屬襯底1上的金屬墻2為2個(gè)，2個(gè)金屬墻2之間形成溝槽3，表面等離激元可在溝槽3底部的金屬襯底1表面沿著溝槽3的延伸方向(如圖la中箭頭方向所示)傳播。圖la和圖lb所示實(shí)施例中，還具有位于所述金屬襯底1表面和金屬墻2表面的介質(zhì)層4，并且介質(zhì)層4填滿所述溝槽3的空間。
[0047]圖la和圖lb所示實(shí)施例中，所述金屬墻2之間的溝槽3的寬度大于表面等離激元等效波長(zhǎng)的一半，具體可依據(jù)所使用的具體的表面等離激元等效波長(zhǎng)而設(shè)