CN105591269A - 宽带表面等离子体逻辑输入源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽带表面等离子体逻辑输入源，包括基底层-金属层，基底层为低折射率材料,金属层形成在基底层的上侧，在金属层用聚焦离子束刻蚀出数个四个角光滑的矩形环以及矩形环两侧的波导，其中这些四角光滑的矩形环可以平行排列，也可以垂直排列。刻蚀在金属层的四角光滑的矩形环以及矩形环两侧的波导形成一个宽带表面等离子体逻辑输入源。这样的输入源，光场在空气介质与金属的交界面共振，由于金属层具有四角光滑的矩形环结构以及矩形环两侧的波导，共振电磁波与该环形结构谐振，环形的谐振腔使得光场有较强的束缚能力；由于特定的波长光场被限制在金属表层，并循环传播，可以有效的减小器件的尺寸；另外在宽带情况下，有部分光沿着矩形环两侧的波导从端口传出，从而实现逻辑门。
Description
技术领域
本发明属于光电子器件领域，尤其涉及一种光学谐振器以及逻辑与门。
背景技术
由于谐振器结构可应用于高性能量子光学器件、光学传感器和低能量损耗的光电器件中，因此，谐振器结构的研究在近年得到了迅速发展，各种谐振器结构也如雨后春笋般出现，如光子晶体谐振器和介质盘谐振器等。这些谐振器虽然表现出较好的性能，但无法突破衍射极限尺寸限制，无法实现器件的小型化。
已有研究尝试将表面等离子激元(SurfacePlasmonPolariton，SPP)应用到谐振器结构上。表面等离子激元是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式，它局限于金属与介质界面附近，能形成增强近场。在等离子体器件中，这些较强的局域场在纳米光电子领域有显著应用，如表面增强拉曼波普学，光化学及光生物传感器等。传统光学器件受到衍射极限的制约，其尺度的微小化和集成度受到限制，但是表面等离子激元的特征可以很好地突破衍射极限，为制造基于表面等离子激元的集成光路应用于高速光通讯提供了可能。
发明内容
本发明提供一种宽带表面等离子体逻辑输入源,其特征在于，包括基底层-金属层，基底层为低折射率材料，金属层沉积在基底层的上侧，并用聚焦离子束刻蚀出数个矩形环以及矩形环两侧的波导。金属层刻蚀出的四角光滑的矩形槽以及矩形环两侧的波导形成一个宽带表面等离子体逻辑输入源。
包括基底层-金属层，基底层为低折射率材料。
用聚焦离子束刻蚀出数个的矩形环以及矩形环两侧的波导。
所述的矩形环四个角光滑。
所述的矩形环可以是一个或者两个。
所述的数个矩形环可以横向排列，也可以纵向排列。
所述金属层的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍和铬中的任意一种，或是上述不同金属构成的复合材料。
本发明的有益效果是：由于采用环形结构，使得在环形结构中谐振的光场具有较强的束缚能力，且由于光场在金属与空气的界面形成的环形区域的表面循环传播，减小了谐振器的尺寸，同时由于环形结构极易发生耦合作用，有利于集成光学系统的小型化。
附图说明
图1是单个矩形环形成的宽带表面等离子体输入源横截面结构图；
图2是单个矩形环形成的宽带表面等离子体输入源俯视结构图；
图3是两个矩形环横向排列形成的宽带表面等离子体输入源俯视结构图；
图4是两个矩形环纵向排列形成的宽带表面等离子体输入源俯视结构图；
图5是本申请实施例中宽带表面等离子体输入源归一化电场强度密度在X-Z平面的分布图；
图6是本申请实施例中宽带表面等离子体输入源三个输出口与输入波长的关系图；
具体实施方式
为便于说明本申请，这里对本申请涉及的相关术语作出如下解释：
(1)模式体积：是指存储在谐振器中的总能量与峰值能量之比，该能量以一种包络的形式存在，该包络进行积分即可得到总能量；
(2)表面等离子体：是由光和金属表面自由电子的相互作用引起的一种电磁波模式，基于表面等离子体的结构，可以将横向光波场限制在远小于波长的尺寸范围，从而突破衍射极限的限制。
本申请利用表面等离子体的原理提出了一种宽带表面等离子体逻辑输入源。在可见光波段，金、银等贵金属的介电常数的实部为负值，通过求解电磁场的麦克斯韦方程组可知，电磁场被限制贵金属表面，并且区域小于波长尺寸，所以称之为亚波长尺寸限制。通过对金属表面纳米结构的调制，使得增益介质发出的光能够激发出金属表面自由电子的等离子体激元，光限制在金属表面的低折射率介质中，并且在环形谐振腔中传播，在低折射率介质中，光场具有极小的模式体积，在极小的区域内，光场和光子的相互作用能大大减小光子寿命，加快受激发光子的跃迁，从而又加强了激光的强度，通过这样的正反馈效应能够得到较强的激光。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
请参考图1，图1为本申请实施例提供的一种宽带表面等离子体逻辑输入源的结构图，包括基底层-金属层，基底材料为二氧化硅，金属层材料为银。
请参考图3，图3本申请实施例提供的一种宽带表面等离子体逻辑输入源的俯视结构图，包括用聚焦离子束刻蚀得到的两个四角圆滑的矩形环以及矩形环两侧的波导，其中两个四角圆滑矩形环横向排列。
本实例中，金属层的厚度为60nm，矩形环两侧的波导的宽度为80nm，矩形环的宽度为80nm。
使用COMSOL对本实施例中宽带表面等离子体的结构进行仿真。
图5是本实施例中宽带表面等离子体逻辑输入源归一化电场强度密度在X-Z平面的分布图。由图3可见，光场分布在金属与空气介质层之间的界面中。由于金属层表面等离子体效应的作用，界面上的光能量被限制金属表面。这样的结构实现了在亚波长尺度对光场的限制，能够得到尺寸极小的光斑。
图6是本实施例中宽带表面等离子体逻辑输入源中，输入源三个输出口对应不同波长的逻辑关系图。由图6可见，对应不同波长，输入源三个输出口的逻辑情况不同，这是由于输入源结构尺寸与波长之间的耦合决定。
实施例2：
请参考图1，图1为本申请实施例提供的一种宽带表面等离子体逻辑输入源的横截面结构图，包括基底层-金属层，基底材料为二氧化硅，金属层材料为银。
请参考图4，图4本申请实施例提供的一种宽带表面等离子体逻辑输入源的俯视结构图，包括用聚焦离子束刻蚀得到的两个四角圆滑的矩形环以及矩形环两侧的波导，其中两个四角圆滑矩形环纵向排列。
本申请的宽带表面等离子体逻辑输入源中，由于采用环形波导结构，使得在环形结构中谐振的光场具有较强的束缚能力，且由于光场在矩形环区域的表面循环传播，减小了谐振器的尺寸，同时由于环形结构极易发生耦合作用，有利于集成光学系统的小型化。宽带情况下，输出口的逻辑关系也将在SPPs集成电路输入源期间上得到很大应用。
以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。
Claims (4)
1.一种宽带表面等离子体逻辑输入源,其特征在于，包括基底层-金属层，基底层为低折射率材料，金属层形成在基底层的上侧，并在金属层用聚焦离子束刻蚀出数个的矩形环以及矩形环两侧的波导，这些四角光滑的矩形环可以横向排列，也可以纵向排列。刻蚀在金属层的矩形环以及矩形环两侧的波导形成一个宽带表面等离子体逻辑输入源。
2.如权利要求1述的宽带表面等离子体逻辑输入源，其特征在于，所述的矩形环四个角光滑。
3.如权利要求1述的宽带表面等离子体逻辑输入源，其特征在于，所述的矩形环可以是一个或者两个。
4.如权利要求1所述的宽带表面等离子体逻辑输入源，其特征在于，所述金属层的材料为能产生表面等离子体的金、银、铝、铜、钛、镍和铬中的任意一种，或是上述不同金属构成的复合材料。
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