CN102436029A

CN102436029A - 一种柔性超长表面等离子体激元波导

Info

Publication number: CN102436029A
Application number: CN2011104429506A
Authority: CN
Inventors: 张彤; 张晓阳; 李若舟; 杨岱旭
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-05-02

Abstract

一种柔性超长表面等离子体激元波导，由光电输入端、光电输出端、柔性衬底、柔性表面等离子体激元波导线阵列构成，柔性表面等离子体激元波导制作于柔性波导衬底之上，然后平面波导结构弯曲后进行边缘对准焊接，最终形成具有独立光电输入端与光电输出端口的超长的表面等离子体激元波导结构。柔性表面等离子体激元波导阵列由柔性有机聚合物包层与波导金属芯层组成，所选用的金属材料为金、银、铜、铝等在光频波段具有表面等离子共振特性的贵金属材料，所有光波导结构由有机柔性聚合物材料制成，具有很好的柔韧性，可以任意弯曲甚至折叠，体积小便携性提高；采用可同时传导光电信号的表面等离子体激元波导作为芯层，打破光电信号不兼容的障碍。

Description

一种柔性超长表面等离子体激元波导

技术领域

本发明属于集成光学技术领域，特别涉及一种基于柔性衬底的表面等离子体激元超长光波导。

背景技术

随着半导体和集成光学工艺水平的发展，以柔性衬底来制备各种波导器件已成为现实。现有的平面光波导衬底主要为玻璃、硅片等无机材料，这种技术存在温度稳定性差，重量较大，机械性不佳，易破碎等缺点，采用柔性有机聚合物衬底代替可以克服以上缺点，同等面积的柔性衬底只为无机材料的衬底重量的十分之一左右，优异的机械性能使得一般情况下的震动难以对柔性波导性能造成影响。

近年来，随着纳米科学和纳电子学的发展，一种全新的波导结构--表面等离子体激元波导成为集成光学领域的新兴研究方向。表面等离子体激元是一种在金属表面传播的并且被约束在此表面的一种非辐射电磁波。表面等离子体激元被约束在波导表面是光和金属的自由电子相互作用的结果。表面等离子体激元波导具有普通光波导所不具备的特性：如可以实现在纳米尺度上的信号传输；可保持信号长程传输过程中的单一偏振态，实现各种尺寸下单模传输；表面等离子体激元波导的金属芯层结构，不但能够传播光信号，还可以传播电信号，可实现在同一芯片上光电混合；金属的介电常数为复数，其虚部代表金属吸收光的能力，通过对金属芯层的设计限制光场强度；可对表面等离子体激元波导的金属芯层直接调制以实现表面等离子体激元波导器件的高效调谐等。基于表面等离子体激元波导的这些特性，表面等离子体激元波导器件可在光通信、光学传感领域发挥重要应用。

目前长程传输的表面等离子体激元波导(Long-range surface plasmon polaritonswaveguide)存在着一个技术瓶颈，就是通过平面光波导工艺制备的表面等离子体激元波导具有很大的弯曲损耗。这主要是由于金属纳米线厚度一般为10-20纳米，在波导线弯曲时，波导芯层对传输模式的束缚作用很弱，特别是当波导弯曲半径为厘米量级时，模式光就会发生明显的泄漏。因此，长程表面等离子体激元波导一般只用于制备直波导类器件，而无法研制超长的弯曲波导或延时线等。

发明内容

技术问题：本发明提出一种柔性超长表面等离子体激元波导，其采用平面的柔性表面等离子体激元波导制备工艺与波导立体对准焊接技术实现一种三维结构的超长波导，具有可光电复用、柔性可弯曲，体积小，制备简单、成本低等优点。

技术方案：本发明的技术方案是这样实现的：从结构上看，该柔性表面等离子体激元波导由光电输入端、光电输出端、柔性衬底、柔性表面等离子体激元波导阵列构成，柔性表面等离子体激元波导阵列制作于柔性波导衬底之上，表面等离子体激元波导结构由机聚合物柔性材料制成，具有很好的柔韧性，可以进行小半径的弯曲。其特征在于：柔性衬底具有筒状结构，波导制备于柔性衬底之上，形成螺旋形的超长柔性等离子激元波导结构，这种超长柔性光波导结构是由制备的平面的柔性等离子激元波导阵列卷曲对接形成为立体筒状结构，制备的平面柔性波导阵列由数条相同的单根柔性波导线组成，每根波导均与衬底边缘呈α角度，α一般为零度至几度，表面等离子体激元波导阵列中某一根波导的输出端和编号在其后的单根光波导的输入端对准，将波导阵列每根波导首位相接串联形成连续的螺旋形波导光路，形成具有独立的光电输入端与独立光电输出端柔性超长表面等离子体激元波导。

本发明所提出的柔性超长表面等离子激元波导由柔性材料衬底、波导金属芯层、有机聚合物波导包层组成，可以为矩形，脊形，倒脊形，条载形结构，其中金属表面等离子体激元波导芯层尺寸在纳米量级，材料为金、银等高电导率材料，包层厚度和宽度均为数微米量级，材料为折射率合适的柔性有机聚合物，有机聚合物衬底厚度在几微米至几厘米之间。

本发明所提出的柔性超长表面等离子体激元波导光、电路如下：光信号或电信号由外部光电信号输入端输入，经由柔性波导线阵列立体连接而成的超长等离子激元波导进行传输，最终由光电输出端输出光信号或者电信号或者光电复用信号。

有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：

1、目前平面波导工艺制备的长程传输的表面等离子体激元波导具有很大的弯曲损耗。其主要原因是由于金属纳米线厚度一般为10-20纳米，在波导线弯曲时，波导芯层对传输模式的束缚作用很弱，特别是当波导弯曲半径为厘米量级时，模式光就会发生明显的泄漏。因此，长程表面等离子体激元波导一般只用于制备直波导类器件，而无法研制超长的弯曲波导或延时线等。本发明所提出的卷曲状的超长表面等离子体激元波导，工艺、结构与传统平面波导工艺制备的弯曲表面等离子体激元波导弯曲不同，是将波导衬底沿垂直方向卷曲并连接成的超长波导，当波导以很大的曲率半径波导弯曲时，模式信号仍可严格束缚在金属芯层和聚合物包层周围，弯曲损耗很小。因此具有超长的传输距离，突破了该技术领域的一个技术瓶颈。

2、目前的波导只能传输单纯的光信号，现有的技术无法实现两者的混合传播，只能采用损耗噪声成本均很高的调制、解调的方式传输，这也是光电信号融合的最大障碍。本发明所提出的柔性超长表面等离子体激元波导本身即具有光电信号复用的功能，可同时长距离传输光、电信号。

3、本发明所提出的基于柔性表面等离子体激元波导，采用表面等离子体激元波导与柔性聚合物材料衬底相结合传输光信号，通过改变表面等离子体激元波导芯层宽度来调节其光斑大小达到波导间模式匹配，实现与光纤低损耗对接。利用表面等离子体激元波导特有的传输特性，实现光信号长程传输的保偏，实现不同芯层宽度下单模传输，更适用于高精度光学陀螺等应用。

4、现有平面结构波导受限于其较复杂的结构对光刻机等设备要求很高，工艺条件限制严格。本发明所提出的柔性超长表面等离子体激元波导采用平面表面等离子体激元直波导制备技术，设备要求低，且可以采滚筒压制的方式大规模生产，设备简单要求低且产量大。

5、平面结构波导由于其环形结构端头引出必定会与其他波导环存在干扰，导致器件损耗一致性差、串扰较大。本发明提出的柔性超长波导具有的简单的重复结构具有很好的损耗一致性与光信号噪声特性。

附图说明

图1是立体成型的柔性超长表面等离子体激元波导立体示意图。

图2是柔性超长表面等离子体激元波导成型前的平面示意图。

图3是柔性超长表面等离子体激元波导阵列中的波导结构示意图。

图4传统平面弯曲表面等离子体激元波导的模式分布示意图。

图5柔性垂直弯曲表面等离子体激元波导的模式分布示意图。

其中有：光电输入端1、光电输出端2、柔性衬底3、柔性表面等离子体激元波导阵列4、单根波导输出端5和单根波导输入端6、柔性有机聚合物包层7、波导金属芯层8、柔性材料衬底9、硅片衬底10。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。本发明所提出的柔性超长表面等离子体激元波导的结构如图1和图2所示。从结构上看，该光波导由光电输入端1、光电输出端2、柔性衬底3、柔性表面等离子体波导阵列4构成，柔性表面等离子体激元波导阵列4制作于柔性衬底3之上，所有表面等离子激元波导结构由有机聚合物柔性材料制成，具有很好的柔韧性，可以进行小半径的弯曲，其特征在于：柔性衬底3立体成型前为平面结构，波导制备于柔性衬底3之上，制备好的平面柔性光波导阵列结构卷曲对接成为筒状，且每根单根波导与下一根单根波导线对接串联形成柔性超长表面等离子体激元波导。制备的平面柔性波导阵列由数条相同的单根柔性波导线组成，每根波导均与衬底边缘呈α角度，α为较小的一个角度。在弯曲立体成型过程中，首先对端面进行抛光处理，然后平面柔性波导进行弯曲对准，使得平面波导上端与下端错开一根波导线，再将表面等离子体激元波导阵列中前一根波导的输出端和后一根波导的输入端对准，然后使用紫外固化胶固化等方式进行波导的焊接，波导阵列每根波导首尾相接串联形成连续的螺旋形波导光路，最终形成具有与波导环相切的独立输入端与输出端的柔性超长表面等离子体激元波导。

本发明所提出的柔性超长光波导柔性有机聚合物包层7、波导金属芯层8、柔性材料衬底9组成，其波导横截面如图3所示，其中金属表面等离子体激元波导芯层厚度为10-20纳米(x方向)，宽度一般为1-10微米之间(y方向)，材料为金、银、铜、铝等贵金属材料。表面等离子体激元波导包层厚度为数十微米，材料为柔性有机聚合物。有机聚合物衬底厚度在几微米至几厘米之间。

本发明所提出的柔性超长表面等离子体激元波导光、电路如下：光、电信号由光电输入端输入，经由柔性表面等离子体激元波导线阵列立体连接而成的超长波导进行传输，最终由光电输出端输出。即形成一条经由光电输入端(1)→……→A_IN→(A_OUT&B_IN)→(B_OUT&C_IN)→(C_OUT&D_IN)→D_OUT→……→光电输出端(2)的连续光、电路，可以在同一条波导上传输光信号、电信号或者两者共存的复用信号。

图4和图5分别是传统平面弯曲表面等离子体激元波导的传输模式分布示意图，和本发明所提出的柔性垂直弯曲表面等离子体激元波导的模式分布示意图。传统的表面等离子体激元波导沿较大的曲率半径弯曲传输时，其模式分布示意图如图4所示，由于表面等离子体激元波导在x方向金属芯层厚度仅为10-20纳米，因此，传统的平面弯曲表面等离子体激元波导曲率半径较大时，模式信号无法有效被约束在金属芯层附近，大部分能量向y方向泄漏，引起较大的弯曲损耗。一般而言，传统的平面表面等离子体激元波导曲率半径大于2cm时，光信号已无法沿波导方向传输。因此传统的表面等离子体激元波导无法制备成环绕的超长弯曲波导。本发明提出的柔性表面等离子体激元波导弯曲方向与传统的表面等离子体激元波导弯曲方向相垂直。由图5所示，当这种柔性表面等离子体激元波导在x-z平面内弯曲时，模式分布向y方向偏移。而由于表面等离子体激元波导金属芯层宽度(沿y方向)为数微米，与模式光斑尺寸相当，可有效的将模式信号约束在金属芯层附近传输。因此，对于本发明提出的柔性表面等离子体激元波导波导而言，即使弯曲波导的曲率为数毫米，仍可将模式信号紧束缚在波导芯层附近传输，且具有很小的弯曲损耗，也正是由于这种柔性波导具有很小的弯曲损耗，才可以利用首尾连接的方法，制备成桶状弯曲的超长表面等离子体激元波导，突破了该技术领域的一个技术瓶颈。

Claims

1.一种柔性超长表面等离子体激元波导，由光电输入端（1）、光电输出端（2）、柔性衬底（3）、柔性表面等离子体激元波导阵列（4）构成，其特征在于柔性表面等离子体激元波导阵列（4）制备于柔性衬底（3）之上，然后经过端面抛光，弯曲对准与焊接等技术形成两端错开一定位置，且具有独立的光电输入端（1）与独立光电输出端（2）的螺旋形柔性超长波导结构；

该超长柔性表面等离子体激元波导结构由平面的柔性表面等离子体激元波导阵列卷曲对接成为筒状制作而得，柔性表面等离子体激元波导阵列（4）与柔性衬底（3）的边缘呈一定角度，柔性衬底（3）两端错开一定位置弯曲成筒状，表面等离子激元波导阵列中的单根波导输出端（5）和编号在其后一根的单根波导输入端（6）连接，串联形成带有易于耦合连接的独立光电输入端（1）和独立的光电输出端（2）的柔性超长表面等离子体激元波导；

柔性表面等离子体激元波导阵列（4）由柔性有机聚合物包层（7）与波导金属芯层（8）组成，表面等离子体激元波导制备于柔性波导衬底（9）之上，所选用的金属材料为在光频波段具有表面等离子共振特性的贵金属材料，表面等离子体激元波导芯层（8）为矩形、脊形、倒脊形或条载形结构，厚度与宽度在纳米量级，柔性有机聚合物包层（8）由柔性有机聚合物材料制成，厚度和宽度均为数微米量级。