CN101702046A - 金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线耦合的复合导波结构 - Google Patents
金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线耦合的复合导波结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线直接高效率耦合组成的复合导波结构。纳米光纤可以直接与金属纳米线耦合，通过亚波长尺度近场相互作用，激发或者收集金属纳米线的表面等离子体共振信号。也可以先通过微纳操作将金属纳米线与光学纳米线平行或者以一定角度接触形成耦合，再用拉锥的纳米光纤耦合纳米线。本发明的复合导波方式具有很高的耦合效率，结构简单，纳米线的输出光具有很好的偏振特性，可以通过调节耦合区纳米线的重叠长度或者纳米线之间的角度来控制耦合效率，可以实现一根光学纳米线到多根金属纳米线的同时耦合激发，可以实现复合结构的耦合器、分束器、Mach-Zehnder干涉仪和环形谐振腔器件，可以与现有光纤系统兼容。
Description
技术领域
本发明涉及一种微纳光学结构，尤其涉及一种金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线高效率耦合组成的复合导波结构。
背景技术
随着对光通信、光计算等大容量高速光信息传输和处理要求的提高，光子器件及其互联光路的特征尺寸向亚波长和纳米尺度范围迈进，具有突破光的衍射极限约束能力的表面等离子体激元在纳米尺度光信息载体方面显示出潜在的应用前景。金属纳米线具有光滑的表面和良好的晶体结构，是一种易于操作和集成的表面等离子体波导，但是目前激发金属纳米线的耦合方式主要有聚焦耦合、棱镜耦合等方式，不利于高密度集成，而且以光频振荡的电磁波在金属中存在或传输时不可避免地具有欧姆损耗，因此全部由等离子体波导制成的器件面临严重的信号衰减和热量产生等问题，使其在实际应用中受到了限制。纳米光纤是一种典型的亚波长尺寸介质波导，是目前报道的损耗最低的亚波长尺寸波导之一。光学纳米线也具有制备简单、均匀性好、机械强度和韧性好、可自由操作等优点。如果纳米光纤和光学纳米线能够与表面等离子体波导实现有效耦合，就可以利于金属-介质互补型导波结构从整体上降低器件损耗，从而提供一种简单和紧凑的方式与现有光纤通信系统兼容，为高密度的光电子集成提供希望。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线耦合的复合导波结构。利用金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线之间的直接接触可以得到高效率耦合，可以实现消光比很高的偏控制，可以制备复合结构的光电子集成器件并从整体上降低器件损耗。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
纳米光纤直接与金属纳米线耦合通过亚波长尺度近场相互作用激发金属纳米线的表面等离子体共振信号，或者先通过微纳操作将金属纳米线与光学纳米线接触形成耦合，再用纳米光纤耦合纳米线。纳米线的输出端用另一根纳米光纤耦合收集信号。
本发明具有的有益效果是：本发明的耦合方式具有很高的耦合效率，结构简单，易于控制和调节，可以通过调节耦合区纳米线的重叠长度或者纳米线之间的角度来控制耦合效率，纳米线的输出光具有很好的偏振特性，可以实现一根光学纳米线到多根金属纳米线的同时耦合激发，可以实现复合结构的耦合器、Mach-Zehnder干涉仪和环形谐振腔器件，可以从整体上降低器件损耗，可以与现有光纤系统兼容。
附图说明
图1是本发明的平行耦合方式的结构原理示意图和实验图；
图2是本发明的以一定角度实现耦合的结构原理示意图和实验图，以及复合结构第一个实施例分束器的结构原理示意图和实验图；
图3是复合结构第二个实施例Mach-Zehnder干涉仪的结构原理示意图和实验图；
图4是复合结构第三个实施例环形谐振腔的结构原理示意图和实验图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的目的和效果将变得更加明显。
如图1、2所示，本发明是在衬底上，将纳米光纤直接与金属纳米线耦合激发金属纳米线的表面等离子体共振信号，或者先将纳米光纤与光学纳米线耦合再通过光学纳米线平行或以一定角度耦合激发金属纳米线。从金属纳米线输出的信号可以通过光学纳米线耦合输出，且输出光具有很好的偏振特性。
所述的金属纳米线、纳米光纤、光学纳米线直径均为50～2000nm。所述的复合结构，耦合效率由纳米线重叠长度或者纳米线之间的角度决定。耦合角度在0～180度变化。所述的金属纳米线为金、银、铝、铜。所述的光学纳米线为聚合物纳米线、SOI波导或者半导体纳米线。
本发明的制备过程如下：
1、使用软溶液法制备出直径为320nm的银纳米线，高温蒸发法制备出直径为340nm的氧化锌纳米线，高温拉伸普通单模光纤制备出直径小于1μm的纳米光纤。在光学显微镜下通过控制固定在三维精密调节架上的单模光纤，用位于单模光纤端头的纳米光纤直接平行接触银纳米线，耦合进单模光纤的入射光可以由此激发银纳米线的表面等离子体共振。或者先用扫描探针显微镜的探针将银纳米线与氧化锌纳米线以一定长度耦合，再用纳米光纤耦合银纳米线或者氧化锌纳米线。改变光学显微镜CCD之前的偏振片可以观察输出光的偏振状态。图1(a)是本发明的平行耦合方式的结构原理示意图；图1(b、c、e)是对应图1(a)的通入650nm波长激光的实验图；图1(d)是描述氧化锌纳米线与银纳米线耦合细节的扫描电子显微镜的照片；图1(f、g)是在不同偏振方向上的输出光情况，消光比达12dB。
2、使用软溶液法制备出直径为240nm的银纳米线，高温蒸发法制备出直径为270nm的氧化锌纳米线，高温拉伸普通单模光纤制备出直径小于1μm的纳米光纤。使用同样的方法通过微纳操作制备出具有一定角度的氧化锌纳米线与银纳米线的耦合。用纳米光纤耦合氧化锌纳米线输入光，改变输入光源，可以得到不同波长处氧化锌纳米线与银纳米线的耦合效率。图2为本发明的以一定角度实现耦合的结构原理示意图；图2(b)是氧化锌纳米线与银纳米线以一定角度耦合的扫描电子显微镜的照片；图2(c-e)是输入光源分别为488nm、532nm、650nm激光时的耦合情况，此时偏振片沿银线方向，减去银纳米线损耗的影响，在650nm处的耦合效率大概82％；图2(f)是输入白光光源的耦合情况；图2(g)是偏振片转过90度时的输出图片。使用同样的方法如图2(h)制备出一根氧化锌纳米线与多根银纳米线同时耦合的结构，所用银线直径为90～200nm，纳米线之间的角度为5°～68°，由此可以实现复合结构的分束器。
3、使用软溶液法制备出直径为120nm的银纳米线，高温蒸发法制备出直径为330nm的氧化锌纳米线，高温拉伸普通单模光纤制备出直径小于1μm的纳米光纤。通过微纳操作制备出一臂为氧化锌纳米线，一臂为银纳米线的复合结构的Mach-Zehnder干涉仪。用一根纳米光纤耦合氧化锌的一端输入光，另一根纳米光纤耦合氧化锌的输出端收集信号。图3(a)为复合结构Mach-Zehnder干涉仪的结构示意图；图3(b)是输入白光时Mach-Zehnder干涉仪的光学显微镜照片，其中的插图为氧化锌纳米线与银纳米线耦合区的扫描电子显微镜的照片；图3(c)是用光谱仪测得的干涉仪输出的透射谱。
4、使用软溶液法制备出直径为265nm的银纳米线，高温蒸发法制备出直径为400nm的氧化锌纳米线，高温拉伸普通单模光纤制备出直径小于1μm的纳米光纤。通过微纳操作将氧化锌纳米线两端与银纳米线两端分别耦合从而形成闭合的复合结构的环形谐振腔。图4(a)为复合结构环形谐振腔的结构示意图；图4(b)是环形谐振腔的扫描电子显微镜的照片；图4(c)是输入白光时用光谱仪从输出端测得的环形谐振腔的透射谱，在890nm波长处的Q值大约520，其中插图是暗场下光学显微镜的照片。
本发明将金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线直接耦合得到了复合导波结构，耦合效率高，结构简单，易于控制和调节，纳米线的输出光具有很好的偏振特性，可以实现复合结构的纳米光子学集成器件，可以从整体上降低器件损耗，可以与现有光纤系统兼容。
Claims (6)
1.一种基于金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线耦合的复合导波结构，其特征在于：将金属纳米线与光学纳米线耦合形成复合导波结构，用纳米光纤与金属或者光学纳米线一端耦合作为光信号输入端，用另一根纳米光纤耦合纳米线的输出端收集信号。
2.根据权利要求1所述的基于金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线耦合的复合导波结构，其特征在于：所述的金属纳米线、纳米光纤、光学纳米线直径均为50～2000nm。
3.根据权利要求1所述的基于金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线耦合的复合导波结构，其特征在于：所述的复合结构的耦合效率，由耦合区纳米线的重叠长度和纳米线之间的角度决定。
4.根据权利要求1所述的基于金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线耦合的复合导波结构，其特征在于：所述的金属纳米线的材料为金、银、铝、铜。
5.根据权利要求1所述的基于金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线耦合的复合导波结构，其特征在于：所述的光学纳米线为聚合物纳米线、SOI波导或者半导体纳米线。
6.根据权利要求1所述的基于金属纳米线与纳米光纤、光学纳米线耦合的复合导波结构，其特征在于：所述的复合导波结构为耦合器、分束器、Mach-Zehnder干涉仪和环形谐振腔器件。
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102324980A (zh) * | 2011-09-13 | 2012-01-18 | 浙江大学 | 基于光纤光栅的新型同轴射频微波传输线 |
| CN102680431A (zh) * | 2012-05-25 | 2012-09-19 | 浙江大学 | 纳米光纤导波激发金属纳米颗粒表面等离子体共振的方法 |
| CN105759326A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-07-13 | 中北大学 | 一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计 |
| CN105759346A (zh) * | 2016-04-01 | 2016-07-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于金纳米线的spp光纤及其制备方法 |
| CN106871802A (zh) * | 2017-03-07 | 2017-06-20 | 太原理工大学 | 一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法 |
| CN110536860A (zh) * | 2017-03-24 | 2019-12-03 | 莱森格斯株式会社 | 连接到光纤的纳米线的制造方法 |
| CN110764190A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-02-07 | 华南理工大学 | 改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统及方法 |
| CN110890612A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-03-17 | 桂林电子科技大学 | 一种内嵌扇形金属谐振腔mim可调谐等离子体滤波器 |
-
2009
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102324980A (zh) * | 2011-09-13 | 2012-01-18 | 浙江大学 | 基于光纤光栅的新型同轴射频微波传输线 |
| CN102680431A (zh) * | 2012-05-25 | 2012-09-19 | 浙江大学 | 纳米光纤导波激发金属纳米颗粒表面等离子体共振的方法 |
| CN105759346A (zh) * | 2016-04-01 | 2016-07-13 | 哈尔滨工程大学 | 一种基于金纳米线的spp光纤及其制备方法 |
| CN105759326A (zh) * | 2016-05-17 | 2016-07-13 | 中北大学 | 一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计 |
| CN105759326B (zh) * | 2016-05-17 | 2018-07-06 | 中北大学 | 一种基于表面等离极化激元波导全光二极管的结构设计 |
| CN106871802A (zh) * | 2017-03-07 | 2017-06-20 | 太原理工大学 | 一种利用外部光栅谐振腔测量锥形纳米光纤直径的方法 |
| CN110536860A (zh) * | 2017-03-24 | 2019-12-03 | 莱森格斯株式会社 | 连接到光纤的纳米线的制造方法 |
| CN110890612A (zh) * | 2019-10-24 | 2020-03-17 | 桂林电子科技大学 | 一种内嵌扇形金属谐振腔mim可调谐等离子体滤波器 |
| CN110764190A (zh) * | 2019-10-25 | 2020-02-07 | 华南理工大学 | 改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统及方法 |
| CN110764190B (zh) * | 2019-10-25 | 2021-07-16 | 华南理工大学 | 改变输入激光偏振调节微纳光纤端面偏折的系统及方法 |
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