CN104133269B - 基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其中，第一至第三种结构是自由空间耦合结构，第四种结构是端面耦合结构。上述四种结构，均无需使用高折射率棱镜耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。结构简单，在不使用高折射率棱镜的情况下，SPPs很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。
Description
技术领域
本发明涉及基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构。
背景技术
表面等离子体(surface plasmons)是一种电磁表面波，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。由于在一般情况下(对于连续的金属介质界面)，表面等离子体波的波矢量大于光波的波矢量，所以不可能直接用光波激发出沿界面传播的表面等离子体波(propagating surface plasmon)。
为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的有两种：一种是Kretschmann结构，即金属薄膜直接镀在棱镜面上，入射光在金属-棱镜界面处会发生全反射，全反射的消逝波(又称表面波)可能实现与表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激发出表面等离子体波。另一种是Otto结构，即具有高折射率的棱镜和金属之间存在狭缝，狭缝的宽度比较小，大约几十到几百个纳米。
可见上述两种结构都需要使用高折射率的棱镜来激发表面等离子体。目前在平坦的金属表面激发表面等离子体波必须借助于棱镜或者光栅耦合的方式，这在一定程度上限制了相关SPP器件(SPP：surface plasmon polaritons，表面等离子体激元)的小型化、微型化。如果不使用棱镜或者光栅，则更利于光学元件的集成，甚至集成在一块芯片中。
另外，传统的SPPs(表面等离子体激元或者表面等离子体波的缩写)的传输距离很短，在可见光波段的传播长度在10-100um之间，无法达到光学元件中对光传播距离的要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，在不使用高折射率棱镜的情况下，表面等离子体激元很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。
为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明可以通过以下四种技术方案实现，分别如下：
第一种结构：基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是ε金属的金属膜层，所述金属膜层底部设置有超材料层，所述超材料层的介电系数
第二种结构：在第一种结构的基础上，在超材料层底部设置有玻璃衬底层。
第三种结构：基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是ε基板的金属基板层，所述金属基板层顶部设置有超材料层，所述超材料层的介电系数
第四种结构：基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括相连的上下两层结构，其中顶层是介电系数为ε金属的金属膜层，底层的一端是超材料层，所述超材料层的介电系数所述超材料层的端部和金属膜层一端对齐且超材料层的长度小于金属膜层的长度。
其中，第一至第三种结构是自由空间耦合结构，第四种结构是端面耦合结构。上述四种结构，均无需使用高折射率棱镜耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。
本发明的有益效果是：结构简单，在不使用高折射率棱镜的情况下，表面等离子体激元很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。
附图说明
图1是金属和介质的界面上激发表面等离子体波的相关物理量的示意图；
图2是本发明用于长距离传播光的装置的三种结构示意图；
图3是金属膜层厚度对表面波耦合深度的影响的示意图；
图4是超材料的介电系数的虚部对表面波耦合的影响的示意图；
图5是图2中第(1)种结构超材料介电系数的不同的虚部对表面波耦合深度的影响的示意图；
图6是图2中第(2)种结构超材料的厚度对表面波耦合深度的影响的示意图；
图7是SPPs的传播距离的示意图；
图8是本发明用于长距离传播光的装置的第四种结构示意图；
附图的标记含义如下：
1：空气；2：金属膜层；3：超材料层；4：玻璃衬底层；5：石英玻璃层；6：金属基板层；7：空隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
图1是金属和介质的界面上激发表面等离子体波(下文简称表面波)的相关物理量的示意图，而表面波的色散关系由下面这个公式给出：
式中：ε1是金属的介电系数，ε2是介质的介电系数，β是表面等离子波的传播常数，ω是频率，c是光速。图1中，是金属中的波矢，是介质中的波矢，是金属中的横向波矢，是介质中的横向波矢。
通过分析可以发现，当条件满足时，存在传播常数为实数，且此时无法从空气1中直接使用激光来激发表面等离子体，而需要借助高折射率棱镜。
但是，如果介质的介电系数的时候，会发现即可以在自由空间中直接激发金属和这种介质界面上的表面波，而不需要棱镜，这就是本专利设想的理论基础。
自然界中的非金属材料的介电系数的实部都是大于1的，因此空气1是自然界中介电系数最小的非金属材料了。根据SPW(金属表面等离子体波)的激发条件，无法利用激光在空气1(自由空间)中直接照射在金属表面的方式来激发表面等离子体波。但是随着超材料(指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料)的出现，迄今发展出的“超材料”包括：“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。“左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统(对电磁波的传播形成负的折射率)。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国《科学》杂志评为2003年的"年度十大科学突破"之一。目前可以通过多种工艺获得介电系数的超材料，比如光刻、离子注入、化学方法的自组装等等。
本发明共有四种结构可以在光学元件中用于长距离传播表面波，其中三种是自由空间耦合结构(可以从自由空间中比如空气1中直接将一束激光耦合进金属表面等离子体中进行传输)，一种是端面耦合结构。三种自由空间耦合结构见图2所示，每一列的上部分是装置的结构，下部分是对应的仿真结果，需说明的是，由于金属膜层2的厚度才几十纳米，超薄，因此在结构示意图中可以画出来，但仿真是真实的比例，因此仿真图中未显示金属膜层2。
第(1)种结构，基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，包括介电系数是ε金属的金属膜层2，所述金属膜层2底部设置有超材料层3，所述超材料层3的介电系数这是基本结构，此种结构超材料层3的厚度比较厚，因此价格比较昂贵，因此可以采用第(2)种结构，即在第(1)种结构的基础上，在超材料层3底部设置有玻璃衬底层4，也就是，在玻璃衬底层4上做很薄的一层超材料层3，然后再镀金属膜层2，比如金膜或银膜，这样超材料层3比第(1)种结构的薄，可以节约成本。
第(3)种结构，基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，包括介电系数是ε基板的金属基板层6，所述金属基板层6顶部设置有超材料层3，所述超材料层3的介电系数即在金属基板层6的表面(不是金属膜)镀一层薄的超材料层3。
图2中下面对应的仿真结果表面，激光在空气1(自由空间)中直接照射在金属表面，三种结构都可以激发SPP，并且是在自由空间中激发的，不需要任何的棱镜或者光栅耦合结构。这里只用到了镀膜的平面工艺，因此可以在以后设计全光芯片。
其中，不同的参数对模式耦合具有不同的影响。
图3中通过仿真，显示了金属膜层2厚度对表面波耦合深度的影响，仿真的其它参数为：激光波长780nm，金属膜的介电系数ε＝-20+1.5i，超材料的介电系数ε超材料＝0.5。图6是本发明第(2)种结构的仿真图，其中，仿真的光波长为650nm，金属膜层2采用银膜层，银的介电系数为-19.6+0.47i，银膜层厚度为45nm，超材料的介电系数为0.5，玻璃衬底层4的介电系数为2.25，这时候改变超材料层3薄膜p的厚度，SPPs的耦合深度也会发生变化，如图6所示，这个超材料层3膜厚p必须超过一定的深度(约1.5um)，耦合深度才深。
图4是超材料的介电系数的虚部对表面波耦合的影响，仿真的其它参数为：激光波长780nm，金属膜介电系数ε＝-20+1.5i，超材料的介电系数实部ε超材料,实部＝0.5，金属膜层2的厚度为35nm。由图4可知，超材料的介电系数虚部应该比较小，才可以获得比较深的耦合深度。图5是本发明第(1)种结构的仿真图，其中，仿真的光波长为650nm，金属膜层2采用银膜层，银的介电系数为-19.6+0.47i，银膜层厚度为45nm，超材料的介电系数的实部为0.5，图中的不同曲线对应了超材料介电系数的不同的虚部，这幅图可以看到，超材料的虚部必须很小，当虚部为0.05时，基本已经没有吸收峰了。
图7仿真了SPPs的传播距离，没有使用超材料的SPPs在可见光波段的传播长度在10-100um之间，而超材料支持的超高阶导模的传播长度很容易达到毫米量级，在一个光学芯片中，已经足够了。
上述三种结构均是自由空间耦合结构，在金属和材料的表面直接激发表面波，这种技术避免了使用高折射率的棱镜，或者在金属表面加工光栅，而下述的第四种结构则是端面耦合结构，即从侧面即端面直接把光打进SPPs中。
如图8所示，基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，包括相连的上下两层结构，其中顶层是介电系数为ε金属的金属膜层2，优选金属膜层2是金层或银层。底层的一端(即图中的左端)是超材料层3，所述超材料层3的介电系数所述超材料层3的端部和金属膜层2一端对齐且超材料层3的长度小于金属膜层2的长度。
底层的另一端可以设置成任意的器件，只要接上就可以把光传输出去，图8中，采用长度为8μm、厚度为1μm的银层，而超材料层3的长度为5μm、厚度为3μm，上部分的结构中，底层的另一端(即右端)是空气1构成的空隙7，长度是3μm、厚度也是3μm；下部分的结构中，底层的另一端(即右端)是石英玻璃层5，其长度是3μm、厚度也是3μm。直接从最左端的空气1把激光打进SPPs中，图的右边说明这种超材料支撑的SPPs可以顺利的转入其它材料支撑的SPPs中，上面一副图是转到空气1中，下面一幅图转到了石英玻璃中，但下面一幅图有一部分的光泄露了(见箭头部分所示)，因此考虑到成本、重量、效果等因素，优选底层的另一端(即右端)是空气1构成的空隙7。
在未来，光子芯片必然会取代目前的电子芯片的，而光子芯片中需要使用“导线”在这些元件之中传输能量，而上述四种结构可以作为“导线”使用，结构简单，在不使用高折射率棱镜的情况下，表面等离子体激元很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可以真正实现在一个光学芯片上集成各种光子器件，以及它们之间的能量传输，可广泛用于光学元件中。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是ε金属的金属膜层(2)，所述金属膜层(2)底部设置有超材料层(3)，所述超材料层(3)的介电系数所述超材料层(3)底部设置有玻璃衬底层(4)，所述金属膜层(2)是金膜层或银膜层。
2.基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是ε基板的金属基板层(6)，所述金属基板层(6)顶部设置有超材料层(3)，所述超材料层(3)的介电系数
3.基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括相连的上下两层结构，其中顶层是介电系数为ε金属的金属膜层(2)，底层的一端是超材料层(3)，所述超材料层(3)的介电系数所述超材料层(3)的端部和金属膜层(2)一端对齐且超材料层(3)的长度小于金属膜层(2)的长度；
所述底层的另一端是与超材料层(3)相连的石英玻璃层(5)，所述石英玻璃层(5)的长度等于金属膜层(2)和超材料层(3)的长度之差；或，所述底层的另一端是空气构成的空隙(7)；
所述金属膜层(2)是金层或银层。
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