CN102623887A - 一种表面等离子波信号放大器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SP波信号放大器，包括基底、金属层和沉积介质层；金属层位于基底和沉积介质层之间，其顶面与沉积介质层的底面连接，底面与基底的顶面连接；金属层的顶面开有贯通两侧的波导；波导的侧壁上开有增益槽，增益槽的宽度为1~1.5μm，增益槽内填充有增益介质和饱和吸收体；放大器还包括泵浦光发射装置，用于发射激发增益介质的泵浦光。本发明还公开了一种SP波信号放大器的制作方法。本发明能够对SP波导传输的SP波实现超快信号放大，从而增加了SP波的传播长度。

Description

一种表面等离子波信号放大器及其制作方法

技术领域

本发明涉及表面等离子波技术领域，特别涉及一种表面等离子波信号放大器及其制作方法。

背景技术

SP（Surface Plasmon，表面等离子）波是在金属和介质表面传播的一种非辐射电磁波，是纳光子学的重要研究领域。利用SP波的性质，可以实现亚波长尺度的光子学器件，突破传统集成光电子技术的限制，在未来高速通信系统、集成光子信息处理系统、新型生物光子学传感器等领域有广阔的应用前景。

但由于金属中的欧姆效应，SP波传输中有很强的损耗，即使采用了长程SPP（Surface Plasmon Polariton，表面等离子激元）波导技术，在可见光波段，传播长度仍只有几微米。这就需要一种可集成在SP波导中的SP波信号放大器。目前尚无可靠的表面等离子波的数字信号放大技术，现有的增益补偿法属于模拟放大，会使信号和噪声同时被放大。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种表面等离子波信号放大器及其制作方法，以克服现有技术中SP波传播长度短的缺陷。本发明是一种阈值放大器，能够有效的实现表面等离子波的数字信号放大，且具有fs级的响应时间、THz级的带宽和多波长工作能力。

为达到上述目的，本发明提供一种表面等离子波信号放大器，所述放大器包括基底（1）、金属层（2）和沉积介质层（3）；

所述金属层（2）位于所述基底（1）和沉积介质层（3）之间，其顶面与所述沉积介质层（3）的底面连接，底面与所述基底（1）的顶面连接；

所述金属层（2）的顶面开有贯通两侧的波导凹槽，所述波导凹槽的宽度为50~90nm；所述沉积介质层（3）的底面设置有与所述波导凹槽对应的凸起，所述波导凹槽和凸起形成波导（4）；

所述波导（4）的侧壁上开有增益槽，所述增益槽的宽度为1~1.5μm，所述增益槽内填充有增益介质（6）和饱和吸收体（7）；

所述放大器还包括泵浦光发射装置（5），用于发射激发所述增益介质（6）的泵浦光。

其中，所述波导（4）的另一侧壁上可设置有支节结构（8），所述支节结构（8）与所述增益槽相对。

其中，所述金属层（2）的顶面也可设置为谐振环耦合结构（9），所述谐振环耦合结构（9）为圆环结构，由其尺寸决定的特定波长的等离子波可通过所述谐振环耦合结构（9）实现耦合。

其中，作为实施例，所述基底（1）的材料为硅，金属层（2）的材料为银，沉积介质层（3）的材料为二氧化硅、增益介质（6）的材料为若丹明，饱和吸收体的材料为DODCI（二乙基氧杂二羰花青碘化物）。

本发明还提供一种表面等离子波信号放大器的制作方法，所述方法包括以下步骤：

A、在基底上溅射金属层； 

B、在所述金属层上刻蚀增益槽；

C、在所述增益槽内填充增益介质和饱和吸收体；

D、在所述金属层上刻蚀贯通所述金属层两侧的波导凹槽；

E、在所述金属层上沉积介质，形成沉积介质层；

F、安装泵浦光发射装置，向所述增益介质发射泵浦光。

其中，在所述步骤A中，具体包括：采用等离子放电或电子束蒸发法在所述基底上溅射金属层，所述基底的材料为硅，所述金属层的材料为银。

其中，在所述步骤B中，刻蚀工艺采用干法刻蚀，所述增益槽的宽度为1~1.5μm。

其中，在所述步骤C中，具体包括：采用甩胶法在所述增益槽内填充增益介质和饱和吸收体，所述增益介质的材料为若丹明，所述饱和吸收体的材料为DODCI。

其中，在所述步骤E中，具体包括：采用等离子辅助沉积法在所述金属层上沉积介质，形成沉积介质层，所述沉积介质层的材料为二氧化硅。

其中，在所述步骤D中，刻蚀工艺采用电子束曝光法，所述波导凹槽的宽度为50~90nm。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能够对SP波导传输的SP波实现超快信号放大，从而增加了SP波的传播长度。

附图说明

图1是本发明实施例1的一种表面等离子波信号放大器的结构示意图；

图2是本发明实施例2的一种表面等离子波信号放大器的结构示意图；

图3是本发明实施例3的一种表面等离子波信号放大器的结构示意图；

图4是本发明实施例4的一种表面等离子波信号放大器的制作方法的流程图；

图5是本发明实施例4的制作方法的各步骤对应的产品的状态图。

其中， 1. 基底，2. 金属层，3. 沉积介质层，4. 波导，5. 泵浦光发射装置，6. 增益介质，7. 饱和吸收体，8. 支节结构，9. 谐振环耦合结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细地说明。

实施例1

本实施例的一种表面等离子波信号放大器的结构如图1所示，包括基底1、金属层2和沉积介质层3；

所述金属层2位于所述基底1和沉积介质层3之间，其顶面与所述沉积介质层3的底面连接，底面与所述基底1的顶面连接；

所述金属层2的顶面开有贯通两侧的波导凹槽，所述波导凹槽的宽度为50~90nm；所述沉积介质层3的底面设置有与所述波导凹槽对应的凸起，所述波导凹槽和凸起形成MIM（金属-介质-金属）波导4，信号光经过所述波导4传输；

所述波导4的侧壁上开有增益槽，所述增益槽的宽度为1~1.5μm，所述增益槽内填充有增益介质6和饱和吸收体7；

所述放大器还包括泵浦光发射装置5，用于发射激发所述增益介质6的泵浦光。

增益槽与波导4的交汇区形成一个等效的SP腔，通过计算设计该腔的模式与Q值，并与填充的增益介质6构成SPASER（Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiatio，表面等离子受激辐射放大）。SPASER技术是局域性表面等离子体与增益介质6结合形成的，当表面等离子激元与增益介质6的反转粒子能级共振，产生类似于激光器的能量转移过程，形成SPP的受激辐射放大过程。在SPASER的增益介质6中植入饱和吸收体7，可以可以使其呈现双稳态特性，克服SPASER内反馈引起的表面等离子增益饱和，使SPASER可作为放大器工作。

选择合适的饱和吸收体7与增益介质6的密度比，SPASER在双稳态工作。在波导4中传输的SP波信号与SPASER耦合，在脉冲泵浦条件下，如传输信号为0（低于SPASER阈值），SPASER保持在低态，不提供信号增益；如传输信号为1（高于SPASER阈值），SPASER会在小于100fs（femtosecond，飞秒）时间内激发至高态，实现信号放大，其中1 fs为千万亿分之一秒，即0.001 皮秒，在1 fs中光可以在真空内传播0.3 微米，可见光的振荡周期为1.30到2.57飞秒。

本实施例中，所述基底1的材料为硅，金属层2的材料为银，沉积介质层3的材料为二氧化硅、增益介质6的材料为若丹明，饱和吸收体的材料为DODCI。

实施例2

本实施例的一种表面等离子波信号放大器的结构如图2所示，其基本结构与实施例1相同，本实施例与实施例1的区别在于，所述波导4的另一侧壁上设置有支节结构8，所述支节结构8与所述增益槽相对，所述支节结构8用于增加等效SP腔的Q值。

实施例3

本实施例的一种表面等离子波信号放大器的结构如图3所示，其基本结构与实施例1相同，本实施例与实施例1的区别在于，所述金属层2的顶面设置有谐振环耦合结构9，所述谐振环耦合结构9为圆环结构，由其尺寸决定的特定波长的等离子波可通过所述谐振环耦合结构9实现耦合，本实施例中该谐振环耦合结构9为图示的环形金属腔，处于波导与增益介质之间，实现两者的耦合作用。本实施例的表面等离子波信号放大器主要用于对信号波模式要求较高的场合。

实施例4

本实施例的一种表面等离子波信号放大器的制作方法如图4所示，包括以下步骤：

步骤s401，在基底上溅射金属层。本实施例中，采用等离子放电或电子束蒸发法在所述基底上溅射金属层，所述基底的材料为硅，所述金属层的材料为银。

步骤s402，在所述金属层上刻蚀增益槽。本实施例中，刻蚀工艺采用干法刻蚀，所述增益槽的宽度为1~1.5μm。

步骤s403，在所述增益槽内填充增益介质和饱和吸收体。本实施例中，采用甩胶法在所述增益槽内填充增益介质和饱和吸收体，所述增益介质的材料为若丹明，所述饱和吸收体的材料为DODCI。

步骤s404，在所述金属层上刻蚀贯通所述金属层两侧的波导凹槽。本实施例中，刻蚀工艺采用电子束曝光法，所述波导凹槽的宽度为50~90nm。

步骤s405，在所述金属层上沉积介质，形成沉积介质层。本实施例中，采用等离子辅助沉积法在所述金属层上沉积介质，形成沉积介质层，所述沉积介质层的材料为二氧化硅。

步骤s406，安装泵浦光发射装置，向所述增益介质发射泵浦光。

在上述表面等离子波信号放大器的制作方法中，各步骤对应的产品的状态图如图5所示。其中51为只有基底的状态；52为在基底上溅射金属层后的状态；53为在所述金属层上刻蚀增益槽后的状态；54为在所述增益槽内填充增益介质和饱和吸收体后的状态；55为在所述金属层上刻蚀贯通所述金属层两侧的波导凹槽后的状态；56为在所述金属层上沉积介质，形成沉积介质层后的状态。

本发明的SP波信号放大器是一种可集成的纳光子学器件，能够对SP波导传输的SP波实现超快信号放大，从而增加了SP波的传播长度。本发明实现了可集成的、具备亚皮秒响应时间、亚波长尺度的SP波数字信号放大器。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种表面等离子波信号放大器，所述放大器包括基底（1）、金属层（2）和沉积介质层（3）；

所述金属层（2）位于所述基底（1）和沉积介质层（3）之间，其顶面与所述沉积介质层（3）的底面连接，底面与所述基底（1）的顶面连接；

所述金属层（2）的顶面开有贯通两侧的波导凹槽，所述波导凹槽的宽度为50~90nm；所述沉积介质层（3）的底面设置有与所述波导凹槽对应的凸起，所述波导凹槽和凸起形成波导（4）；

其特征在于，所述波导（4）的侧壁上开有增益槽，所述增益槽的宽度为1~1.5μm，所述增益槽内填充有增益介质（6）和饱和吸收体（7）；

所述放大器还包括泵浦光发射装置（5），用于发射激发所述增益介质（6）的泵浦光。

2.如权利要求1所述的表面等离子波信号放大器，其特征在于，所述波导（4）的另一侧壁上设置有支节结构（8），所述支节结构（8）与所述增益槽相对。

3.如权利要求1所述的表面等离子波信号放大器，其特征在于，所述金属层（2）的顶面设置有谐振环耦合结构（9），所述谐振环耦合结构（9）为圆环结构，由其尺寸决定的特定波长的等离子波可通过所述谐振环耦合结构（9）实现耦合。

4.如权利要求1至3任一项所述的表面等离子波信号放大器，其特征在于，所述基底（1）的材料为硅，金属层（2）的材料为银，沉积介质层（3）的材料为二氧化硅、增益介质（6）的材料为若丹明，饱和吸收体的材料为DODCI（二乙基氧杂二羰花青碘化物）。

5.一种表面等离子波信号放大器的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

A、在基底上溅射金属层； 

B、在所述金属层上刻蚀增益槽；

C、在所述增益槽内填充增益介质和饱和吸收体；

D、在所述金属层上刻蚀贯通所述金属层两侧的波导凹槽；

E、在所述金属层上沉积介质，形成沉积介质层；

F、安装泵浦光发射装置，向所述增益介质发射泵浦光。

6.如权利要求5所述的表面等离子波信号放大器的制作方法，其特征在于，在所述步骤A中，具体包括：采用等离子放电或电子束蒸发法在所述基底上溅射金属层，所述基底的材料为硅，所述金属层的材料为银。

7.如权利要求5所述的表面等离子波信号放大器的制作方法，其特征在于，在所述步骤B中，刻蚀工艺采用干法刻蚀，所述增益槽的宽度为1~1.5μm。

8.如权利要求5所述的表面等离子波信号放大器的制作方法，其特征在于，在所述步骤C中，具体包括：采用甩胶法在所述增益槽内填充增益介质和饱和吸收体，所述增益介质的材料为若丹明，所述饱和吸收体的材料为DODCI。

9.如权利要求5所述的表面等离子波信号放大器的制作方法，其特征在于，在所述步骤E中，具体包括：采用等离子辅助沉积法在所述金属层上沉积介质，形成沉积介质层，所述沉积介质层的材料为二氧化硅。

10.如权利要求5至9任一项所述的表面等离子波信号放大器的制作方法，其特征在于，在所述步骤D中，刻蚀工艺采用电子束曝光法，所述波导凹槽的宽度为50~90nm。

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