CN100589192C - 集成压电可动微透镜锥形亚波长近场光探针阵列 - Google Patents
集成压电可动微透镜锥形亚波长近场光探针阵列 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种集成压电可动微透镜增强型锥形亚波长近场光探针阵列，由集成压电可动微透镜和带金属沟槽结构的锥形亚波长通光孔阵列组成，在减薄的SOI衬底上制作有锥形孔，锥形孔内表面及周围都镀有金属膜层，在锥形孔周围形成有纳米金属沟槽结构，所述锥形孔上集成压电可动微透镜，锥形孔从入射表面向出射表面呈线性逐渐减小，即在SOI衬底上形成锥形亚波长通光孔，锥形亚波长通光孔孔径的锥形角在0～90°。本发明运用压电式可动微透镜和近场光探针的集成工艺，在近场光探针上制备角度可调聚焦微透镜，通过聚焦提高入射光的功率密度和控制入射光角度以激发更强的表面等离子体激元，提高近场光探针的通光效率和输出光功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于表面等离子体的集成可动微透镜增强型锥形亚波长近场光探针阵列结构。
背景技术
获取纳米尺度的光源是近场光存储系统、近场光学成像、探测、纳米光刻中的关键技术之一，近年来具有纳米孔径的镀金属膜光纤探针已被广泛使用，然而光纤探针的通光效率很低，通常为10-4～10-6。后来，在近场光学成像、近场光学存储领域中，固体浸没透镜(SIL)的使用使得通光效率得到很大提高。但此方法与光纤探针有一个共同的缺点是必须将SIL的底面或者光纤探针与观察或记录介质间的距离控制在近场区域，大约为50nm左右，这使得间距控制非常困难，很容易造成SIL或者探针与介质间的碰撞，造成损坏。
根据经典理论，当孔径小于入射光的波长时，它的光透过率呈现强烈的衰减，不能满足实际的使用要求。表面等离子体激元(SPP)具有提高亚波长孔近场光探针通光效率，突破光的衍射实现近场光超高密度存储的潜力，然而基于SPP近场光探针的通光效率和输出光功率仍未达到快速光存储的要求。
当前，提出亚波长近场光探针阵列，是一种基于近场光学原理设计的具有纳米孔径的近场光探针阵列，是在现有商用半导体固体激光器的出射表面镀金属膜层并在其上开一具有纳米尺寸的出射孔径。这种作为近场光学系统中的有源探针的亚波长近场光探针阵列具有明显的优点，其输出光功率较具有相同小孔尺寸的镀金属膜光纤探针提高104倍，通光效率超过1/1000，从而提高了信噪比和数据传输速度。但目前实验中所采用的纳米孔径通常为方形或圆形，直径约为50～100nm，输出功率约为微瓦量级，尚不能满足实际使用的要求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种集成压电可动微透镜增强型锥形亚波长近场光探针阵列，旨在有效提高通光效率和输出光功率。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
集成压电可动微透镜增强型锥形亚波长近场光探针阵列，特点是：该阵列由集成压电可动微透镜和带金属沟槽结构的锥形亚波长通光孔阵列组成，在减薄的SOI衬底上制作有锥形孔，锥形孔内表面及周围都镀有金属膜层，在锥形孔周围形成有纳米金属沟槽结构，所述锥形孔上集成压电可动微透镜，锥形孔从入射表面向出射表面呈线性逐渐减小，最终在SOI衬底上形成锥形亚波长通光孔，锥形亚波长通光孔孔径的锥形角在0～90°之间。
进一步地，上述的集成压电可动微透镜增强型锥形亚波长近场光探针阵列，所述锥形亚波长通光孔的上底面直径在100～800nm，下底面直径在30～300nm，倾斜角度在0～90°之间。所述锥形亚波长通光孔孔径的形状为方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形、双三角形、巨形、工形、半圆环形或C形中的一种；或者是方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形、双三角形、巨形、工形、半圆环形或C形中的两种及两种以上形状相组合形成的形状。
更进一步地，上述的集成压电可动微透镜增强型锥形亚波长近场光探针阵列，锥形亚波长通光孔上方有压电可动的微透镜，可提高孔的通光强度，所述锥形亚波长通光孔内和周围都镀有金属膜层，其厚度在10～300nm之间，金属膜层的材质是金、铝、银或铬中的一种。
更进一步地，上述的集成压电可动微透镜增强型锥形亚波长近场光探针阵列，所述纳米金属沟槽结构的周期为10～200nm，数目为5～20个，纳米金属沟槽围绕锥形亚波长通光孔，可激发更多的SPP，从而提高通光强度。
再进一步地，上述的集成压电可动微透镜增强型锥形亚波长近场光探针阵列，所述锥形亚波长通光孔孔径内是开放空间或者填充高折射率的介质材料。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
①本发明在锥形亚波长近场探针阵列上有集成压电可动的微透镜，加透镜比不加透镜的亚波长近场探针的透光强度可增加70倍，从而极大的提高了亚波长孔的输出功率；
②亚波长近场光探针的通光效率与输出光强极大值在具有相同近场光斑尺寸的情况下，较普通的纳米光纤探针提高了10～104倍，所得到的通光效率大于1％；
③亚波长近场光探针阵列可作为纳米近场光学有源探针用于近场光数据存储、光学成像、光谱探测、光刻、光学操作等。基于集成光学技术，采用这种亚波长近场光探针阵列可制成新型近场光学存储读写头或近场光学显微镜的有源光学探针。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：集成压电式角度可调微透镜的锥形亚波长孔近场光探针阵列示意图；
图2：不同类型的锥形孔的示意图。
图中各附图标记的含义：1-压电微悬臂梁，2-微透镜，3-锥形亚波长通光孔，4-金属膜层，5-金属沟槽。
具体实施方式
本发明设计一种基于表面等离子体的集成可动微透镜增强型锥形亚波长近场光探针阵列，该阵列由集成可动压电微透镜和带金属沟槽结构的亚波长锥形孔阵列组成。运用压电式可动微透镜和近场光探针的集成工艺，在近场光探针上制备角度可调聚焦微透镜，通过聚焦提高入射光的功率密度，控制入射光角度以激发更强的SPP，提高近场光探针的通光效率和输出光功率，从而，解决了SPP通光增强亚波长孔近场光探针输出光强不能满足近场光存储需求的问题。
如图1～2所示，集成压电式角度可调微透镜的锥形亚波长孔近场光探针阵列，包括压电微悬臂梁1、微透镜2、镀有金属膜层的锥形亚波长通光孔3，该阵列由集成压电可动微透镜和带金属沟槽结构的亚波长锥形孔阵列组成，在减薄的SOI衬底上制作有锥形孔，锥形孔内和周围都镀有金属膜层4，锥形孔周围有纳米金属沟槽5，锥形孔上集成压电可动微透镜，锥形孔从入射表面向出射表面呈线性逐渐减小，最终在SOI衬底上形成锥形亚波长通光孔3，锥形亚波长通光孔孔径的锥形角在0～90°之间，锥形亚波长通光孔3孔径的形状为方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形、双三角形、巨形、工形、半圆环形或C形中的一种；或者是方形、矩形、圆形、椭圆形、三角形、双三角形、巨形、工形、半圆环形或C形中的两种及两种以上形状相组合形成的形状。金属膜层4的厚度为10～300nm，金属膜层4的材质是金、铝、银或铬中的一种。锥形亚波长通光孔3孔径内是开放空间或者填充高折射率的介质材料，通过填充高折射率的介质材料，还可以进一步提高通光效率。压电可动微透的表面等离子体激元增强型锥形亚波长孔阵列可以与边发射型半导体激光器或面发射型半导体激光器集成使用。
具体制作集成压电式角度可调聚焦微透镜的SPP近场光探针阵列，其方法步骤为：首先在减薄的SOI衬底上采用溅射法制备Pt底电极，利用Sol-Gel法制备PZT压电薄膜，剥离法制备Au顶电极，采用PDMS和纳米热压印技术、刻蚀技术制备聚焦微透镜和压电微悬臂梁；同时在另一片SOI晶片上，涂覆光刻胶，利用电子束光刻技术的调整剂量法在光刻胶上制备不同尺寸的漏斗型锥形孔和沟槽结构，使用ICP刻蚀技术将锥形孔和沟槽结构形状刻蚀复制到Si片上，蒸镀Au膜，制备获得孔中有金属膜的锥形孔，或者先在蒸镀Au膜前，对孔部分涂胶保护，然后蒸发Au膜，形成孔中无金属膜的锥形孔；然后利用倒装焊进行压电式角度可调聚焦微透镜芯片和纳孔光探针阵列的对准键合；最后用ICP刻蚀亚波长光探针背部的Si层露出亚波长光探针的出光孔。
要说明的是，驱动电压、微透镜转角与亚波长孔通光效率之间的关系：如图1，在压电微悬臂梁1上施加不同电压，使微透镜2旋转一定角度，因而聚焦的入射光可以一定角度聚焦在金属沟槽5和锥形亚波长通光孔3上，在亚波长通光孔3周围产生大量的SPP，利用SPP的通光增强效应和锥形孔的聚光效果可以提高亚波长通光孔的通光效率和输出光功率的能力。
锥形亚波长孔物理尺寸和孔内金属层与亚波长孔光传输效率的关系：采用微纳加工技术在Si/SiO2/Au衬底上制备上下底面直径为100～800nm和30～300nm、倾斜角度在0～90°、孔内蒸镀金属层的漏斗型锥形孔，如图2所示，在孔周围制备5～20个周期为10～200nm的金属沟槽5。当聚焦的光以一定角度照射在周围有金属沟槽的锥形亚波长孔阵列时，可获得最佳的光透过效率和透射强度。
集成压电可动微透镜的表面等离子体激元增强型锥形亚波长近场光探针阵列，在锥形亚波长近场探针阵列上有集成压电可动的微透镜，加透镜比不加透镜的亚波长近场探针的透光强度可增加70倍，从而极大的提高亚波长孔的输出功率，满足实际所需。
其工作原理基于近场光学表面等离子体激元(SPP)的局域场增强效应，在锥形孔周围制作纳米金属沟槽并且聚焦的入射光以一定角度照射在锥形孔上时可极大的激发出表面等离子体激元，而金属薄膜表面存在亚波长通光孔时能形成所谓的SPP微腔，由金属表面周期性结构和入射光耦合产生的SPP波沿金属-介质界面传播，遇到由通光孔形成的SPP微腔时，能量将在小孔处集聚，并在小孔微腔内以波导模式存在并传播，遇到小孔的拐角处，发生SPP-光耦合输出，而根据波导和色散理论，改变小孔尺寸将改变SPP波导截面积，从而改变亚波长孔的通光效率。另外锥形亚波长孔径对光具有不断地增强、收集作用。SPP增强效应受金属膜层的光学特性及厚度、纳米金属沟槽的特征尺寸、孔径的几何形状及尺寸、金属膜表面等离子体激元的增强效应、入射光照射角度等因素的影响。其中，一定角度的入射光照射的SPP激发效应和SPP的共振增强效应影响较大。其表现为不同的入射光角度将会影响SPP的激发，进而改变近场光斑的分布及通光效率。共振增强效应包括SPP增强效应及亚波长孔径散射场的干涉加强效应，与孔径的几何形状及孔径尺寸密切相关。
本发明亚波长近场光探针的通光效率与输出光强极大值在具有相同近场光斑尺寸的情况下，较普通具的纳米光纤探针提高了10～104倍，所得到的通光效率大于1％。亚波长近场光探针阵列可作为纳米近场光学有源探针用于近场光数据存储、光学成像、光谱探测、光刻、光学操作等。基于集成光学技术，采用这种亚波长近场光探针阵列可制成新型近场光学存储读写头或近场光学显微镜的有源光学探针。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (4)
1.集成压电可动微透镜锥形亚波长近场光探针阵列，其特征在于：该阵列由集成压电可动微透镜和带金属沟槽结构的锥形亚波长通光孔阵列组成，在SOI衬底上制作有锥形孔，锥形孔内表面及周围都镀有金属膜层，在锥形孔周围形成有纳米金属沟槽结构，所述锥形孔上集成压电可动微透镜，锥形孔从入射表面向出射表面呈线性逐渐减小，即在SOI衬底上形成锥形亚波长通光孔，且锥形亚波长通光孔孔径的锥形角在0～90°。
2.根据权利要求1所述的集成压电可动微透镜锥形亚波长近场光探针阵列，其特征在于：所述锥形亚波长通光孔的上底面直径在100～800nm，下底面直径在30～300nm，锥形边与衬底平面的角度在0～90°之间。
3.根据权利要求1所述的集成压电可动微透镜锥形亚波长近场光探针阵列，其特征在于：所述锥形亚波长通光孔内及周围所镀的金属膜层，其厚度在10～300nm之间，金属膜层的材质是金、铝、银或铬中的一种。
4.根据权利要求1所述的集成压电可动微透镜锥形亚波长近场光探针阵列，其特征在于：所述纳米金属沟槽结构的一个周期为10～200nm，数目为5～20个。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: SUZHOU INSTITUTE OF NANO-TECH AND NANO-BIONICS(SIN Free format text: FORMER OWNER: SUZHOU NANO TECHNIQUE + NANO BIONIC RESEARCH INST. Effective date: 20100908 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 215125 NO.398, RUOSHUI ROAD, GAOJIAO DISTRICT, DUSHUHU, INDUSTRIAL PARK, SUZHOU CITY, JIANGSU PROVINCE TO: 215123 NO.398, RUOSHUI ROAD, INDUSTRIAL PARK, SUZHOU CITY, JIANGSU PROVINCE |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20100908 Address after: 215123 Suzhou Industrial Park, Jiangsu, if waterway No. 398 Patentee after: Suzhou Institute of Nano-Tech and Bionics (SINANO), Chinese Academy of Sciences Address before: 215125 Jiangsu city of Suzhou province Dushu Lake Industrial Park No. 398 waterway if higher education Patentee before: Suzhou Nano Technique & Nano Bionic Research Inst. |
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Granted publication date: 20100210 Termination date: 20140430 |