CN106569300A - 一种基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构，包括由上到下依次设置的金属层一(1)、介质层(2)以及金属层二(3)；所述介质层(2)包括ZnO纳米管；所述ZnO纳米管的径向截面外形为六边形，而其内部空腔的径向截面也是六边形；所述金属层一(1)紧贴在ZnO纳米管外表的一个平面上；而该平面相对的另一个平面与金属层二(3)相紧贴；所述金属层一(1)、金属层二(3)以及ZnO纳米管均位于空气中，本发明能使光场集中在氧化锌纳米管空腔中，并约束在其中，形成类似于目前常用的光纤中的场分布，接近理想的场分布形式,并将光场约束到一个远小于衍射极限的区域。

Description

一种基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构
技术领域
本发明涉及一种纳米光波导结构，可用于纳米光子集成器件
背景技术
表面等离子激元是一种在金属-介质界面上激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡，具有近场增强、表面受限、短波长等特性。表面等离子光波导中场沿着金属表面传输，并且场约束在金属表面极小的尺度范围内，并且在金属表面场强明显增强。利用表面等离子激元可以实现突破光学衍射极限的光波导，从而大大缩小光路的尺度并提高集成度。2008年，美国加州大学伯克利分校的R.F.OULTON,等人提出一种由高介电常数的纳米棒和金属构成的表面等离子光波导(详见文献1：R.F.Oulton,V.J.Sorger,D.A.Genov,D.F.P.Pileand X.Zhang，A hybrid plasmonic waveguide for subwavelength confinement andlong-range propagation，nature photonics，2008,2，496-500)，如图1所示。当两者的相距高度非常小时，金属/介质分界面的表面等离子激元同纳米棒的导模相互耦合，这种耦合后的模被约束在两者的空隙中。其光场被约束到光学衍射极限的百分之一以下。
氧化锌材料是一种比较理想的光波导材料，它的纳米线纳米管结构具有天然六边形截面。2010年张晓阳等模拟了以氧化锌纳米线纳米管组成的表面等离子光波导中光传输特性，其采用非对称结构，可以有效将光场约束到一个较小的尺度(详见文献2：Xiao-YangZhang,A.Hu,Tong Zhang,Xiao-Jun Xue,J.Z.Wen,and W.W.Duley,Subwavelengthplasmonic waveguides based on ZnO nanowires and nanotubes:A theoretical studyof thermo-optical properties,Appl.Phys.Lett,2010,043109,96)，图2是λ为632.8nm时六种典型波导结构的基本模的归一化电场|E|，在该图中，向0方向渐变的颜色为由绿色向浅蓝逐渐变为深蓝直至黑色，而向1方向渐变的颜色为由黄色向浅红逐渐变为深红直至黑色，而红色区域表示光场约束的尺度，红色越深表示光强越强。
其他还有类似的光波导结构，一般情况下，表面等离子光波导都是沿着金属表面传输，其光场分布不是太理想的，难以接近理想的高斯分布，纳米线的存在使得光场约束在纳米线和金属表面之间。而氧化锌纳米管的存在使得光场有向纳米管空腔中分布的趋势。但文献2中场分布形式不理想，光场约束效果不佳。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构，使光场集中在氧化锌纳米管空腔中，并约束在其中，形成类似于目前常用的光纤中的场分布，接近理想的场分布形式,将光场约束到一个远小于衍射极限的区域。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构，包括由上到下依次设置的金属层一(1)、介质层(2)以及金属层二(3)；所述介质层(2)包括ZnO纳米管；所述ZnO纳米管的径向截面外形为六边形，而其内部空腔的径向截面也是六边形；所述金属层一(1)紧贴在ZnO纳米管外表的一个平面上；而该平面相对的另一个平面与金属层二(3)相紧贴；所述金属层一(1)、金属层二(3)以及ZnO纳米管均位于空气中。
优选的：所述金属层一(1)、金属层二(3)采用金、银、铜或铝等做成薄膜状。
优选的：所述金属层一(1)、金属层二(3)的厚度几十纳米到几百纳米。
优选的：所述ZnO纳米管的外六边形边长在几十纳米到微米量级，内部空腔的六边形边长在几个纳米到几百纳米之间变化。
优选的：所述ZnO纳米管的纳米管长度在微米量级。
有益效果：本发明相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明采用由上到下依次设置的金属层一(1)、介质层(2)以及金属层二(3)；所述介质层(2)包括一根以上的ZnO纳米管；所述ZnO纳米管的径向截面外形为六边形，而其内部空腔的径向截面也是六边形；其光场主要集中于纳米管空腔内，同时在纳米管与银膜交界的尖锐处有相对强的光场分布。该光场的几何尺度远远小于常规光源的衍射极限，模场面积约为衍射极限的1％。由于光场在六边形空腔内，光场分布接近理想的圆形，光场分布好。
附图说明
图1为混合波导模示意图；
图2为λ为632.8nm是六种ZnO典型波导结构的基本模的归一化电场|E|；
图3为ZnO纳米管光波导的结构示意图，图3a为ZnO纳米管光波导的立体结构示意图，图3b为ZnO纳米管光波导的横截面图；
图4为光波导通过1550nm光的模场图；
图5为以金为金属膜，通光385纳米的光场分布。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构，如图3所示，包括由上到下依次设置的金属层一1、介质层2以及金属层二3；所述介质层2包括一根ZnO纳米管；所述ZnO纳米管的径向截面外形为六边形，而其内部空腔的径向截面也是六边形；所述金属层一1紧贴在ZnO纳米管外表的一个平面上；而该平面相对的另一个平面与金属层二3相紧贴，如图3所示，所述金属层一1紧贴在ZnO纳米管外表的上表面21上，而下表面22与金属层二3相紧贴；所述金属层一1、金属层二3以及ZnO纳米管均位于空气4中。所述金属层一1、金属层二3采用金、银、铜或铝等做成薄膜状。所述金属层一1、金属层二3的厚度几十纳米到几百纳米。所述ZnO纳米管的外六边形边长在几十纳米到微米量级，内部空腔的六边形边长在几个纳米到几百纳米之间变化。所述ZnO纳米管的纳米管长度在微米量级。
如图3所示，该ZnO纳米管光波导采用金属-介质-金属结构，它是由金属层、介质层组成的。金属层采用金、银、铜或铝等，做成薄膜状，典型厚度几十纳米到几百纳米，其中间夹着ZnO纳米管，ZnO纳米管典型结构是截面呈现六边形，空腔也是六边形围成，据以往的文献资料，外六边形边长在几十纳米到微米量级，内腔六边形边长在几个纳米到几百纳米之间变化，根据制备方法和制备条件不同而不同，纳米管长度在微米量级。该光波导的两个金属膜层紧贴着纳米管一组对向平面，同时也被包裹在空气中。
本发明的表面等离子体激元是由外部电磁场(如光波)诱导金属表面自由电子的集体振荡,具有表面电磁场的传播性能,即电场强度在金属与介质的界面上具有最大值,随着垂直于金属表面的距离增大,场强呈指数衰减。这样在金属表面局域范围内形成一个较强的电场分布，由此可以激发出很多物理现象，由于该强场尺度在纳米范围，从而可以将光学器件的尺度降到纳米尺度。表面等离子体激元光波导一大缺陷就是损耗太大，在金属表面适度沉积一层介质可以降低损耗，同时表面等离子激元有在低折射率区域传输的趋势，而氧化锌纳米管的存在可在一定程度上将光场在横向方向上约束在纳米管附近，而其特有的空腔，可将光场约束在空腔内。
该波导结构的制备是一个相对复杂的过程。目前ZnO纳米线、纳米管、纳米碟等结构的制备技术相对比较成熟，化学气相沉积、热蒸发气相传输、水热法等都可以制备ZnO纳米材料。控制制备参数，可以生成不同尺寸的纳米结构材料，这样就可以获得我们需要的纳米管，金属膜层的制备技术也相对比较成熟，有许多方法可以得到理想的金属膜，如蒸镀、溅射等。可以通过纳米组装技术和现代集成电路工艺，制备成本波导结构。
自由空间的光通过特定的光耦合装置可以激发出该模场，这就与普通的光波导类似。
将该波导结构集成在基片上，连接上各种光学器件，如激光器、光学调制器和光探测器等等，可以制备成具有一定功能的光学回路。在氧化锌空腔内具有一定的空间，光通过时空腔内场强很强，如果在其中充入一些其他物质，从而可以激发出一些新的发光波长，形成频率转换器件。利用ZnO本身具有的增益特性，同时利用其端面形成F-P腔，该结构有可能做成发出近紫外的纳米激光器。
我们以有限元计算软件COMSOL的模场功能对该波导结构进行了模拟计算，我们采用银作为金属层，厚度50nm，ZnO纳米管参数选择外六边形边长100nm，内腔六边形边长10nm。通光波长1550纳米，这是我们目前光通讯使用的波长。图4为模拟结果，在图4中颜色越深表示光强越强，显示光场主要集中于纳米管空腔内，同时在纳米管与银膜交界的尖锐处有相对强的光场分布。该光场的几何尺度远远小于常规光源的衍射极限，模场面积约为衍射极限的1％。与文献1的结果在一个数量级，由于光场在六边形空腔内，光场分布接近理想的圆形，这要比文献1的光场分布要好。
我们采用的银膜层组成的光波导，在红外和极紫外有较理想的光约束效果。在ZnO材料自身激子发射峰385nm左右，约束效果不太理想。我们可以变换金属材料，图5是采用金作为金属膜层的计算结果，在图5中颜色越深表示光强越强。可见模场约束效果较好。用铜、铝等材料形成的光波导具有不同的频率特性，它们在该波长也可以得到较好的效果。由于ZnO材料对该波长附近具有较大的增益，该结果表明该光波导结构有可能实现在纳米尺度上实现该波长的激光振荡。
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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构，其特征在于：包括由上到下依次设置的金属层一(1)、介质层(2)以及金属层二(3)；所述介质层(2)包括ZnO纳米管；所述ZnO纳米管的径向截面外形为六边形，而其内部空腔的径向截面也是六边形；所述金属层一(1)紧贴在ZnO纳米管外表的一个平面上；而该平面相对的另一个平面与金属层二(3)相紧贴；所述金属层一(1)、金属层二(3)以及ZnO纳米管均位于空气中。
2.根据权利要求1所述的基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构，其特征在于：
所述金属层一(1)、金属层二(3)采用金、银、铜或铝等做成薄膜状。
3.根据权利要求1所述的基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构，其特征在于：
所述金属层一(1)、金属层二(3)的厚度几十纳米到几百纳米。
4.根据权利要求1所述的基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构，其特征在于：
所述ZnO纳米管的外六边形边长在几十纳米到微米量级，内部空腔的六边形边长在几个纳米到几百纳米之间变化。
5.根据权利要求1所述的基于氧化锌纳米管的表面等离子体光波导结构，其特征在于：
所述ZnO纳米管的纳米管长度在微米量级。
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