CN104614806B - 一种加载玻璃的非对称的SiO2‑金膜‑SiO2波导结构的表面等离子体激元传播装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种加载玻璃的非对称的SiO2‑金膜‑SiO2波导结构的表面等离子体激元传播装置，其特征是，包括顺序叠接的顶层SiO2层、金膜层、L形玻璃层、底层SiO2层，其中玻璃层L形长边的外端面与金膜层叠接，L形长边的内端面与底层SiO2层叠接；所述的金膜层刻蚀有光栅结构，光栅结构增强激发产生在顶层SiO2层‑金膜层界面上的传播的传导型SPPs。这种装置采用类似的Kretschmann结构激发SPPs，采用了光栅结构增强SPPs激发，利用金膜的反射光在玻璃与SiO2层间利用全反射增强SPPs传播过程中局域化，在无需牺牲波导的亚波长约束同时提高了SPPs传播距离，可以为SPPs在新型光子器件、宽带通讯系统、微小光子回路、光电子集成等方面应用提供关键器件，该装置成本低、易于实现。

Description

一种加载玻璃的非对称的SiO2-金膜-SiO2波导结构的表面等 离子体激元传播装置
技术领域
本发明涉及光通信技术，具体是一种加载玻璃的非对称的SiO2-金膜-SiO2波导结构的表面等离子体激元传播装置。
背景技术
表面等离子体激元(Surface plasmonpolaritons,简称SPPs)是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁模，可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波，从而传输光能量，且不受衍射极限的限制。正因为SPPs这种独特的性质，使其在纳米量级操纵光能量发挥着重要的作用。尤其以伦敦帝国学院Oulton教授在低温环境下设计的在覆盖薄MgF2层银膜中增加CdS纳米线结构，实验装置由15nm的SiO2球包裹14nm金核构成，周围有2700个俄勒冈绿488染料分子（密度为6.25×1019cm-3）。染料的辐射峰（中心波长约510nm）与粒子谐振峰（中心波长约520nm）很好重叠，采用488nm、4ns的光脉冲泵浦，测量了粒子光谱及时间特性，得到输出光谱峰值在531nm附近，光强在某一阈值附近表现为随泵浦强度线性增加。SPPs在新型光子器件、宽带通讯系统、微小光子回路、光电子集成等方面具有很大的潜力。当前已经产生了以SPPs研究为核心内容的亚波长光学这一学科，科学家们对此进行了广泛的研究提出了各种的器件与机理。
《Physical Review Letters》在2005年95卷第4期第046802页上登载了“Channelplasmon-polariton guiding by subwavelength metal grooves”一文，丹麦奥尔堡大学的Bozhevolnyi团队报道了采用聚焦离子束刻蚀加工，用近场扫描光学显微镜研究发现的V形槽SPPs波导器件，他们采用基于对称金属薄膜结构设计了波分复用器以及Bragg光栅滤波器，实现了对SPPs波的滤波特性。然而尽管研究人员实现了将光场约束到几十纳米的量级，但设计的波导器件损耗依然很大。目前SPPs技术应用中面临的主要困难，在于由于欧姆效应导致的强烈衰减，500nm的可见光在理想单一界面中传输距离（振荡强度减少到1/e时的长度）约1.8μm。这显然无法实现光子器件的应用，实现SPPs传播中损耗-补偿依然是SPPs光子器件向实用型转变的首要目标。
通过检索和查新发现，目前大都采用增益介质以补偿SPPs衰减，但这却牺牲了波导亚波长尺度及电场强局域化优势。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种加载玻璃的非对称的SiO2-金膜-SiO2波导结构的表面等离子体激元传播装置。这种装置能够确定亚波长约束的同时增加SPPs波导器件传播距离，且成本低、易于实现。
实现本发明目的的技术方案是：
一种加载玻璃的非对称的SiO2-金膜-SiO2波导结构的表面等离子体激元传播装置，包括顺序叠接的顶层SiO2层、金膜层、L形玻璃层、底层SiO2层，其中玻璃层L形长边的外端面与金膜层叠接，L形长边的内端面与底层SiO2层叠接，所述的 L 形玻璃层为高透射率BK7 玻璃。入射角度大于底层SiO2层与L形玻璃层间的全反射角的入射光进入L形玻璃层棱镜，金膜层表面的反射光传播过程中在L形玻璃层棱镜与底层SiO2层介质发生全反射。
所述的金膜层刻蚀有光栅结构，光栅结构激发产生在顶层SiO2层-金膜层界面上的传播的传导型SPPs。
利用衍射光和金膜层刻蚀的光栅结构激发产生在顶层SiO2层-金膜层界面上的传播的SPPs，金膜层表面的反射光传播过程中在L形玻璃层与底层SiO2层介质发生全反射增强SPPs传播中的局域化强度，实现增加SPPs传播距离。
顶层SiO2层、金膜层的长、宽均为1500nm、1000nm，L形玻璃层与底层SiO2层叠接后的长、宽为1500nm、1000nm；顶层SiO2层和底层SiO2层的厚度分别为300nm和100nm，为不同厚度的非对称介质，金膜层厚度为150nm、L形玻璃层厚度为150nm；金膜层光栅周期为30nm。
玻璃与SiO2层间发生多次角度相同的全反射可以起到正反馈效果，全发射产生的反射辐射可以补偿SPPs传播中的金属损耗，能够增强SPPs传播中的局域化程度，提高SPPs传播距离。
这种装置采用类似的Kretschmann结构激发SPPs，采用了光栅结构增强SPPs激发，利用金膜的反射光在玻璃与SiO2层间利用全反射增强SPPs传播过程中局域化，在无需牺牲波导的亚波长约束同时提高了SPPs传播距离，可以为SPPs在新型光子器件、宽带通讯系统、微小光子回路、光电子集成等方面应用提供关键器件。该装置成本低、易于实现。
附图说明
图1为实施例的结构示意图。
图中，1.顶层SiO2层 2.金膜层 3.入射光 4.玻璃层 5.光栅结构 6.底层SiO2层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的阐述，但不是对本发明的限定。
实施例：
参照图1，一种加载玻璃的非对称的SiO2-金膜-SiO2波导结构的表面等离子体激元传播装置，包括顺序叠接的顶层SiO2层1、金膜层2、L形玻璃层4、底层SiO2层6，其中玻璃层4L形长边的外端面与金膜层2叠接，L形长边的内端面与底层SiO2层6叠接。
玻璃层4的L形长边外端面实现的是将入射光衍射进金膜激发顶层SiO2层1与金膜层2间的表面等离子共振现象，而玻璃层4的L形长边内端面实现的是玻璃层棱镜与底层SiO2层6发生全反射从而补偿SPPs传播损耗的作用。
入射角度大于底层SiO2层6与L形玻璃层4间的全反射角的入射光3进入L形玻璃层棱镜，金膜层2表面的反射光传播过程中在L形玻璃层棱镜与底层SiO2层6介质发生全反射。
所述的金膜层2中刻蚀有光栅结构5，光栅结构5激发产生在顶层SiO2层1-金膜层2界面上的传播的传导型SPPs，增强激发SPPs效果。
在SiO2层镀金膜后在金膜层2上刻蚀光栅结构5，再将上述结构利用磁控溅射在L形玻璃的L形长边的上表面，该SiO2层为顶层SiO2层1，在玻璃的L形长边的下表面一侧通过真空镀膜法粘接SiO2层，该SiO2层为底层SiO2层6。
顶层SiO2层1、金膜层2的长、宽均为1500nm、1000nm，L形玻璃层4与底层SiO2层6叠接后的长、宽为1500nm、1000nm；顶层SiO2层1和底层SiO2层6的厚度分别为300nm和100nm，为不同厚度的非对称介质，金膜层2厚度为150nm、L形玻璃层4厚度为150nm；金膜层光栅周期为30nm。
所述的L形玻璃层4为高透射率BK7玻璃制成。
入射光3进入玻璃棱镜，利用衍射光和金膜层2刻蚀的光栅结构5激发产生在顶层SiO2层1-金膜层2界面上的传播的SPPs，金膜层2表面的反射光传播过程中在L形玻璃层4与底层SiO2层6介质发生全反射增强SPPs传播中的局域化强度，实现增加SPPs传播距离。
玻璃层4与底层SiO2层6间发生多次角度相同的全发射可以起到正反馈效果，全发射产生的反射辐射可以补偿SPPs传播中的金属损耗，能够增强SPPs传播中的局域化程度，提高SPPs传播距离。

Claims (3)

1.一种加载玻璃的非对称的SiO2-金膜-SiO2波导结构的表面等离子体激元传播装置，其特征是，包括顺序叠接的顶层SiO2层、金膜层、L形玻璃层、底层SiO2层，其中玻璃层L形长边的外端面与金膜层叠接，L形长边的内端面与底层SiO2层叠接，所述的L形玻璃层为高透射率 BK7 玻璃。
2.根据权利要求1所述的加载玻璃的非对称的SiO2-金膜-SiO2波导结构的表面等离子体激元传播装置，其特征是，所述的金膜层刻蚀有光栅结构。
3.根据权利要求2所述的加载玻璃的非对称的SiO2-金膜-SiO2波导结构的表面等离子体激元传播装置，其特征是，顶层SiO2层、金膜层的长、宽均为1500nm、1000nm，L形玻璃层与底层SiO2层叠接后的长、宽为1500nm、1000nm；顶层SiO2层和底层SiO2层的厚度分别为300nm和100nm，为不同厚度的非对称介质，金膜层厚度为150nm、L形玻璃层厚度为150nm；金膜层光栅周期为30nm。
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