CN105896014A - 动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线。传输线是以支持表面等离激元信号的狭缝波导和电调单元为基本单元，在同一基板中以纳米级间距平行分布组成，狭缝波导具有十字交叉的波导结构，包括高折射率顶板、低折射率介质、金属凸起线和金属基板，金属凸起线置于金属基板的条形槽中形成凸起结构，金属凸起线下端连接电调单元。本发明实现了表面等离激元信号纳米级的约束，减小了传输线器件的大小和并行传输线耦合串扰，实现了纳米间距的并行传输线，大大提高了单位空间的信号传输率，且具有结构简单、消光比高等优点。

Description

动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线。

背景技术

传输线(波导)是光电子集成技术中不可缺少的无源器件，片上集成的光电子器件之间的高速传输需要信号传输率高的纳米级传输线。但是由于衍射极限的限制，传统光信号传输线无法实现亚波长甚至纳米级的设计，而且传统传输线之间的耦合串扰较大，这极大地影响了光电子器件的片上集成和信息互联。

表面等离激元传输线(波导)是基于表面等离激元的效应设计的一种波导，表面等离基元是在光子激发情况下金属表面导带电子相干集体振荡形成的一种电磁波模式，这一特殊的电磁波模式在传输界面两侧都受到良好的约束，表面等离激元传输线就是根据这一基本效应突破衍射极限从而实现亚波长即纳米尺度的设计。因此表面等离激元传输线(波导)在光电子研究中是一个重要的研究方向。

然而，表面等离激元传输线的传播损耗较大，有效传播距离不长，另外，纳米间距的并行传输线之间有一定的信号耦合串扰，会造成传播信号的失真，这不利于实现片上光电子器件的深入集成，也大大限制了片上集成单位面积的信息传输率。同时，现有表面等离激元传输线功能单一，传输的信号不具有动态可调能力，这限制了表面等离激元传输线进一步更广泛的应用。

发明内容

针对光电子行业发展的需求和现有技术的不足，本发明提供了一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线。基于表面等离激元原理提出了十字交叉折射率的传输线的基本结构，可以实现横向和纵向方向的全方向约束，并可以进一步提高表面等离激元的局部约束性能，利于器件的小型化，减小了器件之间的相互串扰，并大大增加了的传播长度。

本发明采用的技术方案如下：

所述传输线是以支持表面等离激元信号的狭缝波导和电调单元为基本单元，在同一基板中以纳米级间距平行分布组成，如图3所示，狭缝波导和电调单元组成的基本单元，狭缝波导具有十字交叉的波导结构。

本发明的并行结构是指表面等离激元狭缝波导在同一基板中以纳米级间距平行分布组成。

所述纳米狭缝波导包括高折射率顶板、低折射率介质、金属凸起线和金属基板，高折射率顶板和金属基板之间为低折射率介质，金属基板上开有条形槽，金属凸起线置于条形槽中形成凸起结构，金属凸起线下端连接电调单元。

所述的高折射率是指折射率大于2.0。

所述的低折射率是指折射率小于1.5。

所述金属凸起线顶面位于金属基板的顶面和高折射率顶板底面之间，使得狭缝波导为十字交叉折射率的波导结构，如图2所示，顶部的顶板是高折射率介质，两侧是低折射率介质，底部的金属基板是负折射率介质，中心区域由上方的低折射率介质和下方的负折射率的金属凸起线组成。

由此，本发明的所述纳米狭缝结构在高折射率顶板、金属基板之间，纵向上是由低折射率介质(空气介质等)和金属凸起线构成，表面等离激元信号主要在被约束在高折射率顶板和金属凸起线之间的低折射率介质中传播。

本发明中纳米狭缝的左右两侧都是低折射率介质(空气介质等)，结合金属凸起线能够有效地约束在横向上的表面等离激元的电磁场，从而可以减小传输线之间的电磁串扰。

所述金属凸起线凸出于金属基板的高度通过电调单元电控调整，电调单元控制和切换金属凸起线的两个不同凸出高度的状态，两个凸出高度之差小于高折射率顶板底面和金属基板顶面之间的距离。

所述电调单元包括形成于衬底内部的条形的纳米热敏介质腔和电调装置，衬底位于金属基板底面，金属基板条形槽下部与纳米热敏介质腔连接相通，金属凸起线上端伸出金属基板条形槽外置于低折射率介质中，金属凸起线下端嵌入所述纳米热敏介质腔中。

所述纳米热敏介质腔中充满热敏介质，热敏介质的体积随温度的变化而变化，所述电调装置以电加热的方式控制纳米热敏介质腔中热敏介质的温度进行控制金属凸起线上下移动调整。

所述金属凸起线凸出于金属基板的高度小于金属基板顶面和高折射率顶板底面之间的距离，金属基板顶面和高折射率顶板底面之间的距离为10nm～50nm，金属凸起线的宽度为5～20nm。

并行工作的相邻两个所述基本单元之间的周期间距大于金属凸起线的宽度，周期间距具体为0nm～100nm，即相邻金属凸起线中心线之间的间距为0nm～100nm。

所述的金属基板的厚度为50nm～200nm，衬底的厚度为50～200nm，所述高折射率顶板的厚度为50nm～100nm。

所述的热敏介质可采用液体金属汞、液体汞合金、NaCl离子液体等热胀冷缩并具有热电效应的介质。

具体实施中，金属传输凸起线的横向宽度为5～20nm，纵向高度为0～50nm，金属凸起线不但约束了横向电磁场分布，还约束了纵向的电磁场分布。金属凸起线的高度越高，狭缝纵向宽度越小，狭缝内归一化电磁场分布密度增大。

本发明传输线的最大有效长度大约在55～80μm范围内，比一般等离激元传输线有效传播长度大。并行传输线的有效传播长度和相邻传输线间的耦合长度和衰减长度有关，并行传输线的有效传播长度必须小于耦合长度和衰减长度，超出耦合长度和衰减长度的话信号可能会失真。

本发明的传输线即波导的对称模式和反对称模式的传播常数为β_S+iα_S和β_U+iα_U，则耦合长度和衰减长度为：

耦合长度：

衰减长度：

其中，L_c是并行传输线的耦合长度，L_p是并行传输线的衰减长度，β_S是并行传输线对称模式的传播常数的实部，α_S是并行传输线对称模式的传播常数的虚部，β_U是并行传输线反对称模式的传播常数的实部，α_U是并行传输线反对称模式的传播常数的虚部。

本发明传输线的设计的有效距离小于耦合长度和衰减长度，保证了传输线信号传输不失真和稳定性。在十字交叉折射率结构横向和纵向全方面的电磁场约束情况下，狭缝波导内电磁场能量密度变大，狭缝内传输的是一种特殊的混合模式，与一般等离激元波导相比大大提高了耦合长度和衰减长度，增加了传输线的有效传播长度。对波导结构参数进行优化，包括金属凸起线的高度、宽度、介质材料等，可以进一步提高有效传播长度。

本发明中，传输线根据金属凸起线的高度(狭缝宽度)存在1态和0态两种不同的状态，用所述0态和1态表示二进制信息中的0和1：

所述1态指，当加热装置保持高温，纳米腔中热敏介质体积大，低折射率介质层中金属凸起线保持较高的高度，此时金属凸起线与高折射率顶板间的电磁场能量密度大；

所述0态指，当加热装置保持低温，纳米腔中热敏介质体积小，低折射率介质层中金属凸起线保持较低的高度，此时金属凸起线与高折射率顶板间的电磁场能量密度小。

本发明通过电调单元通过温度控制实现0态和1态的相互切换，即金属凸起线的高度动态可调，从而实现传输线“0”信号和“1”信号的动态转换功能。纳米腔下方有电加热装置，电加热装置通过温度控制热敏介质体积，改变纳米腔体积，从而调制金属纳米线的高度。电调装置可以灵活控制传输线(狭缝波导)的0、1状态，实现传输线信息动态调制的功能。

本发明通过改变金属凸起线的高度，可灵活地调整纵向上表面等离激元的约束范围，并改变电磁场归一化分布密度。

本发明在单个传输线的基础上还提出了纳米级间距的无串扰的并行工作的平行传输线，并行传输线必须相互之间无串扰，否则会相邻两条传输线之间的信号会相互干扰，造成数据传输的错误或丢失。

本发明为达到纳米级间距无串扰的并行传输线，狭缝波导所传输的是由高折射率顶板和金属凸起线间形成的一种对称的混合模式。由于该并行传输线整体支持一个波导模式，不同的金属凸起线上的模场只是波导模式的一部分，该模式在基本十字交叉折射率结构下能实现并行传输线纳米级间距的无串扰，间距远远小于光的波长。所述传输线能以纳米级间距的平行阵列的结构并行工作。

本发明的优点：

本发明的表面等离激元传输线采取十字交叉折射率结构，并通过电调装置动态控制传输线的“0”、“1”状态。这种传输线结构简单、体积小、串扰小，有较长的有效传播长度，能在同一基板上实现纳米级间距的超低串扰并行工作，还拥有动态信息调制功能。

附图说明

图1为本实施例传输线的二维结构示意图。

图2为本实施例的十字交叉结构示意图。

图3为本实施例传输线的三维结构示意图。

图4为本实施例的并行表面等离激元传输线的结构框图。

图5为“1”状态金属凸起线高度一定时，信号消光比和“0”状态的金属凸起线高度h2关系的仿真图。

图6为传输线有效传播长度和金属凸起线宽度关系的仿真图。

图中：高折射率顶板1、低折射率介质2、金属凸起线3、金属基板4、衬底5、纳米热敏介质腔6、电调装置7。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面参照附图并结合实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明的实施例及其实施过程如下：

具体实施中，如图1所示，纳米狭缝波导包括高折射率顶板1、低折射率介质2、金属凸起线3和金属基板4，高折射率顶板1和金属基板4之间为低折射率介质，金属基板4上开有条形槽，金属凸起线3置于条形槽中形成凸起结构，金属凸起线3下端连接电调单元，通过电调单元控制金属凸起线3在金属基板4和高折射率顶板1之间上下移动调整位置。

如图1所示，电调单元包括形成于衬底5内部的条形的纳米热敏介质腔6和电调装置7，衬底5位于金属基板4底面，衬底5作为绝缘层，金属基板4条形槽下部与纳米热敏介质腔6连接相通，金属凸起线3上端伸出金属基板4条形槽外置于低折射率介质2中，金属凸起线3下端嵌入所述纳米热敏介质腔6中，纳米热敏介质腔6由金属基板、绝缘衬底、金属凸起线包围而成。

如图4所示，金属凸起线3凸出于金属基板4的高度通过电调单元电控调整，电调单元控制和切换金属凸起线3的两个不同凸出高度的状态，两个凸出高度之差小于高折射率顶板底面和金属基板顶面之间的距离。

两个高度不同的状态分别为状态0和状态1，即使得表面等离激元纳米传输线有两个状态：所述状态1为金属凸起线高度高，金属凸起线和高折射率顶板的狭缝距离较小，狭缝内电磁场能量密度高；所述状态0为金属凸起线高度低，金属凸起线和高折射率顶板的狭缝距离较大，狭缝内电磁场能量密度低。

本实施例中光信号中心波长为1550nm。中心波长为1550nm的频段为现代光通信的通用中心光频段，使其工作频段与其他光电子器件相兼容。

本实施例中金属基板、金属凸起纳米线的材质为金属银(Ag)，金属Ag能较好地激发和传输表面等离激元信号，并且相比其他金属有较小的传输损耗。顶板和金属基板之间的低折射率介质为空气，空气介质有利于金属凸起线的灵活调整。高折射率顶板材质为单晶硅，绝缘衬底的材质是二氧化硅(SiO₂)，由于现代微电子集成Si工艺相当成熟，所以这能大大减小表面等离激元传输线的工业化制作成本。

本实施例低温状态下绝缘衬底和金属凸起线的纳米腔横截面大小为15nm×15nm。纳米腔中的热敏介质为汞金属，汞金属的体积随温度有灵敏的变化特性，且热容较低，能实现状态的快速切换。电加热装置的工作功率为1μw。电调装置7以电加热的方式控制纳米热敏介质腔6中汞金属的温度进行控制金属凸起线3上下移动调整。

本实例中金属基板和顶板的距离为20nm，这个距离符合器件足够的小型化，又使金属狭缝中的金属凸起线有足够的空间来调整高度。

本实施例中信号为“1”的金属凸起线的高度为18nm，即纳米狭缝低折射率介质层的宽度为2nm。金属凸起线的高度越高，纳米狭缝宽度越窄，表面等离激元信号的限制效果越好，单位面积内电磁场能量密度越高。考虑到信号“1”的能量强度和加工工艺技术，金属凸起线的高度选择为18nm。

类似的，本实施例中信号为“0”的金属凸起线的高度为1nm，即纳米狭缝低折射率介质层的宽度为19nm。狭缝内电磁场的能量密度小，表示信号“0”。

图5为该相邻传输线的信号消光比和“0”状态的金属凸起线高度h₂关系的仿真图。其中“1”状态金属凸起线高度h₁一定，和实施例一致为18nm，其他结构参数也和实施例相符。信号消光比R公式为，

$R=10\lg \left(\frac{max\left(D_1\right)}{max\left(D_2\right)}\right)$

其中，D₁和D₂分别代表相邻传输线信号“1”状态和信号“0”状态的狭缝波导中的电磁场能量密度。

信号消光比大小可以衡量相邻传输线之间的串扰和器件性能，信号消光比越大，相邻传输线串扰越小，器件的开关性能也越优异。

如上所述，本实施例信号“1”的金属凸起线高度为18nm，信号“0”的金属凸起线高度为1nm，所以如图5所示，本实施例中相邻传输线信号“1”和信号“0”的消光比R约为20dB，相邻传输线之间串扰小，具有优良“开关”性能。

本实施例中矩形金属线的宽度为10nm，因为这是现有的工艺能够加工的最小精度，十字交叉折射率的结构的限制能力对矩形金属线的宽度并不敏感，如图6所示，原本传播长度约为74μm的传输线，在其他条件相同的情况下，将矩形金属线的宽度从10nm改编为100nm，则有效的传播长度仍有60nm以上。这意味着即便无法接近工艺极限，本发明依然有较长的传播距离。

本实施例中相邻金属凸起线的中心间距为20nm，即相邻传输线的中心间距为20nm，在此间距情况下采用本发明的十字交叉折射率结构和选择对称混合模式能实现相邻传输线无串扰信号。20nm的间距远远小于光信号的波长1550nm，意味着1μm宽的金属基板上就可以同时并行工作50个平行传输线，由此可见本发明的两个基本单元的传输串扰小，实现了相同体积内大大提高了信息传输率。

由实施例可见，本发明一方面实现了表面等离激元信号纳米级的约束，减小了传输线器件的大小，另一方面，减小了并行传输线耦合串扰，实现了纳米间距的并行传输线，大大提高了单位空间的信号传输率，金属凸起线可调单元实现了传输线的“0”“1”信号的动态可调，具有结构简单、消光比高等优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线，其特征在于：所述传输线是以支持表面等离激元信号的狭缝波导和电调单元为基本单元，在同一基板中以纳米级间距平行分布组成，狭缝波导具有十字交叉的波导结构。

2.如权利要求1所述的一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线，其特征在于：所述纳米狭缝波导包括高折射率顶板(1)、低折射率介质(2)、金属凸起线(3)和金属基板(4)，高折射率顶板(1)和金属基板(4)之间为低折射率介质，金属基板(4)上开有条形槽，金属凸起线(3)置于条形槽中形成凸起结构，金属凸起线(3)下端连接电调单元。

3.如权利要求2所述的一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线，其特征在于：所述金属凸起线(3)顶面位于金属基板(4)的顶面和高折射率顶板(1)底面之间，使得狭缝波导为十字交叉折射率的波导结构，顶部的顶板(1)是高折射率介质，两侧是低折射率介质(2)，底部的金属基板(4)是负折射率介质，中心区域由上方的低折射率介质(2)和下方的负折射率的金属凸起线(3)组成。

4.如权利要求2所述的一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线，其特征在于：所述金属凸起线(3)凸出于金属基板(4)的高度通过电调单元电控调整，电调单元控制和切换金属凸起线(3)的两个不同凸出高度的状态，两个凸出高度之差小于高折射率顶板底面和金属基板顶面之间的距离。

5.如权利要求1所述的一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线，其特征在于：所述电调单元包括形成于衬底(5)内部的条形的纳米热敏介质腔(6)和电调装置(7)，衬底(5)位于金属基板(4)底面，金属基板(4)条形槽下部与纳米热敏介质腔(6)连接相通，金属凸起线(3)上端伸出金属基板(4)条形槽外置于低折射率介质(2)中，金属凸起线(3)下端嵌入所述纳米热敏介质腔(6)中。

6.如权利要求5所述的一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线，其特征在于：所述纳米热敏介质腔(6)中充满热敏介质，热敏介质的体积随温度的变化而变化，所述电调装置(7)以电加热的方式控制纳米热敏介质腔(6)中热敏介质的温度进行控制金属凸起线(3)上下移动调整。

7.如权利要求2所述的一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线，其特征在于：所述金属凸起线(3)凸出于金属基板(4)的高度小于金属基板(4)顶面和高折射率顶板(1)底面之间的距离，金属基板(4)顶面和高折射率顶板(1)底面之间的距离为10nm～50nm，金属凸起线(3)的宽度为5～20nm。

8.如权利要求2所述的一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线，其特征在于：并行工作的相邻两个所述基本单元之间的周期间距大于金属凸起线(3)的宽度，周期间距具体为0nm～100nm。

9.如权利要求5所述的一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线，其特征在于：所述的金属基板(4)的厚度为50nm～200nm，衬底(5)的厚度为50～200nm，所述高折射率顶板(1)的厚度为50nm～100nm。

10.如权利要求6所述的一种动态可调的纳米间距并行结构的表面等离激元纳米传输线，其特征在于：所述的热敏介质可采用液体汞金属、液体汞合金、NaCl离子液体以及其他具有热电效应的介质。