CN107121793B - 一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，该光开关是由电介质基底和位于电介质基底上的金属薄膜构成的微纳结构，金属薄膜的材料为可产生表面等离子体的金属材料。金属薄膜上设有多个相同的孔，各个孔周期性排列形成阵列。孔上设置有内尖端、外尖端，外尖端包括相对设置的第一外尖端、第二外尖端，内尖端包括相对设置的第一内尖端、第二内尖端，两外尖端均为背向孔的中心方向延伸的尖端，两内尖端均为朝向孔的中心方向延伸的尖端。本发明的器件仅由电介质基底和具有孔阵列的金属薄膜组成，尺寸小，结构简单；另外，只需改变入射光的偏振方向，便可控制近红外光的开关，操作方便，无泵浦光对信号光及后续光路的干扰。

Description

一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关
技术领域
本发明涉及微纳光子器件领域，具体涉及一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关。
背景技术
随着社会进步，电子器件已经很难满足人们对信息传输速度和存储量的需求，于是部分研究者们将目光转向了光子器件。由于存在衍射极限这一难题，使得光子器件无法小型化和集成化，极大限制了光子器件在信息领域的应用。表面等离子体(SurfacePlasmon,SP)具有亚波长、电场局域以及局域场增强等优良特性，为解决这一难题提供了一种有效的方法。利用SP，人们设计并实现了许多微纳光子器件，其中表面等离子体光开关是通过控制外部因素改变开关中SP的激发或传输，进而调控光的有无强弱，从而实现对光的开关操作。相对于传统的光开关，表面等离子体光开关可在小于衍射极限尺度内实现对光的控制，从而在纳米尺度上实现光开关的集成。
近年来，随着各种微纳制备技术的日渐成熟，众多表面等离子体光开关被先后实现。例如，Pala R A等人在电介质基底上的金属薄膜表面添加光致变色分子层，并在金属薄膜中设置了两个光栅，利用泵浦光照射光致变色分子层，实现了一个表面等离子体激元波导光开关；Veronis G等人通过在波导中设置一个半导体增益介质矩形腔，实现了一个由外界泵浦光控制的金属-空气-金属波导表面等离子体光开关。正如上述所列举的现行的表面等离子体光开关都存在结构复杂，难以集成的问题，并且由于需要外界泵浦光控制，因而不可避免的存在泵浦光对信号光路及后续光路的干扰。
本申请的背景技术文件为：
(1)Pala R A,Shimizu K T,Melosh N A,et al.A nonvolatile plasmonicswitch employing photochromic molecules[J].Nano letters,2008,8(5):1506-1510；
(2)Veronis G,Yu Z F,Kocabas S E,et al.Metal-dielectric-metalplasmonic waveguide devices for manipulating light at the nanoscale[J].Chinese Optics Letters,2009,7(4):302-308。
发明内容
本发明需要解决的是现有表面等离子体光开关结构复杂和泵浦光干扰的问题，提供一种结构简单且无泵浦光干扰的表面等离子体光开光。
本发明通过以下技术方案解决上述问题：一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，所述表面等离子体光开关为微纳结构，所述表面等离子体光开关由电介质基底和位于电介质基底上的金属薄膜构成，所述金属薄膜的材料为可产生表面等离子体的金属材料，其特征在于：所述金属薄膜上设有多个相同的孔，各个所述孔周期性排列形成阵列，所述孔上设置有内尖端、外尖端，所述外尖端包括相对设置的第一外尖端、第二外尖端，所述第一外尖端、第二外尖端均为背向孔的中心方向延伸的尖端，所述内尖端包括相对设置的第一内尖端、第二内尖端，所述第一内尖端、第二内尖端均为朝向孔的中心方向延伸的尖端。
本发明中，所述外尖端、内尖端的设置依据如下：垂直于入射光偏振方向分布的外尖端上的局域表面等离子体共振最强，平行于入射光偏振方向分布的外尖端上几乎没有产生局域表面等离子体共振；垂直于入射光偏振方向分布的内尖端上几乎没有产生局域表面等离子体共振，平行于入射光偏振方向分布的内尖端上的局域表面等离子体共振最强。本发明通过改变入射光的偏振方向，实现对近红外光的开关控制。入射光的偏振方向沿着阵列周期方向变化，当尖端垂直于入射光偏振方向分布时，外尖端上的局域表面等离子体(Localized Surface Plasmon,LSP)共振最强，而内尖端上几乎没有形成LSP共振；当尖端平行于入射光偏振方向分布时，内尖端上的LSP共振最强，而外尖端上几乎没有形成LSP共振。该发明通过改变入射光的偏振方向，进而改变单元结构上发生LSP共振的尖端数量，从而使周期性圆四尖端孔阵列红外波段的透射率发生改变，实现对近红外光的开关控制。
进一步地，所述第一外尖端、第二外尖端均由圆周背向所述圆周的圆心方向延伸，所述第一内尖端、第二内尖端均由所述圆周朝向所述圆周的圆心方向延伸，第一外尖端、第一弧、第一内尖端、第三弧、第二外尖端、第二弧、第二内尖端、第四弧首尾相接构成所述孔，所述第一弧、第二弧、第三弧、第四弧均位于所述圆周上。由于本发明在纳米量级制作，因此采用整体成圆形的孔的制作难度最小，采用别的形状的孔会大大增加制作光开关的难度。
进一步地，所述第一外尖端和第二外尖端均沿横向阵列周期方向分布，所述第一内尖端和第二内尖端均沿纵向阵列周期方向分布；优选所述第一外尖端是以第一外尖端的尖端端点和第二外尖端的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构且第二外尖端是以第一外尖端的尖端端点和第二外尖端的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构，优选所述第一内尖端是以所述第一内尖端的尖端端点和第二内尖端的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构且第二内尖端是以所述第一内尖端的尖端端点和第二内尖端的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构。通过设置第一外尖端、第二外尖端均以第一外尖端、第二外尖端的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构，第一内尖端、第二内尖端均以第一内尖端、第二内尖端的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构，使得表面等离子光开关的效果更好。
进一步地，所述第一外尖端的尖端端点和第二外尖端的尖端端点之间的直线连线与所述第一内尖端的尖端端点和第二内尖端的尖端端点之间的直线连线相互垂直。通过设置第一外尖端、第二外尖端的尖端端点的连线与所述第一内尖端、第二内尖端的尖端端点的连线相互垂直，可以通过改变入射光的偏振方向，使得外尖端和内尖端上产生的局域表面等离子体共振同时最强或同时最弱，实现更好的光开关的效果。
进一步地，所述第一外尖端、第二外尖端以第一内尖端的尖端端点和第二内尖端的尖端端点之间的直线连线为轴相互对称，所述第一内尖端、第二内尖端以第一外尖端的尖端端点和第二外尖端的尖端端点之间的直线连线为轴相互对称。通过设置第一外尖端、第二外尖端相互对称，且设置第一内尖端、第二内尖端相互对称，可以在改变入射光的偏振方向时，使局域表面等离子体共振的强度及产生共振尖端的个数变化最大，从而使表面等离子光开关的效果更好。
进一步地，所述圆周的直径为334nm-374nm。
进一步地，外尖端和内尖端的角度优选为30°-53°，所述第一外尖端与所述圆周的交点之间的距离、所述第二外尖端与所述圆周的交点之间的距离、所述第一内尖端与所述圆周的交点之间的距离和所述第二内尖端与所述圆周的交点之间的距离均优选为70nm-110nm。
进一步地，所述孔的数量不小于9，各个所述孔形成的阵列的形状优选为正方形或长方形，阵列周期长度优选为500nm-700nm。为了使加工简易，优选的孔阵列的形状为正方形或长方形。阵列周期包括横向阵列周期、纵向阵列周期。
进一步地，所述电介质基底的电介质的材料为石英或苯并环丁烯，优选石英；所述电介质的厚度优选为175nm-225nm。为了加工的方便，优选的电介质的材料为石英；
进一步地，所述金属薄膜的材料为银或金，优选银；所述金属薄膜的厚度优选为50nm-150nm。为了提高开关在开状态的光透过率，优选在近红外波段吸收损耗较小的银作为金属薄膜的材料。
本发明的优点与效果是：
(1)该光开关仅由电介质基底和具有孔阵列的金属薄膜组成，尺寸小，结构简单；
(2)该光开关只需改变入射光的偏振方向，便能有效控制近红外光的开关，操作方便，无泵浦光对信号光及后续光路的干扰。
附图说明
图1是本发明的基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关示意图；
图2是本发明的基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关中一个单元结构的二维侧视剖面示意图；
图3是本发明的具体实施例中实施例1的开状态单元结构银/石英界面处(x,z)平面内电场z分量Ez的空间分布图(颜色条单位为v/m)；
图4是本发明的具体实施例中实施例1的关状态单元结构银/石英界面处(x,z)平面内电场x分量Ex的空间分布图(颜色条单位为v/m)；
图5是本发明的具体实施例中实施例1的透过率谱；
图6是本发明的具体实施例中实施例2的透过率谱。
图中，1、电介质基底，2、金属薄膜，3、孔，31、第一外尖端，32、第二外尖端，33、第一内尖端，34、第二内尖端，41、第一弧、42、第二弧，43、第三弧，44、第四弧。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
如图1所示，本发明的表面等离子开关包括电介质基底1和金属薄膜2组成的微纳结构。
本发明的孔阵列是周期性的孔阵列，各个孔整体呈圆形且具有四个尖端。其中尖端是通过改变圆形孔的边缘轮廓曲率所形成的。
本发明的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，仅由电介质基底1、金属薄膜2组成，金属薄膜2位于电介质基底1正上方。金属薄膜2上存在N个相同的孔3，各个孔3周期性排列形成阵列，其中所述N为大于等于9的正整数。每个单元孔3都存在两个相同的外尖端和两个相同的内尖端，其中每个尖端都沿阵列周期方向分布，并且两外尖端的端点的直线连线和两内尖端的端点的直线连线相互垂直。所述外尖端包括相对设置的第一外尖端31、第二外尖端32，所述第一外尖端31、第二外尖端32均为背向孔的中心方向延伸的尖端，所述内尖端包括相对设置的第一内尖端33、第二内尖端34，所述第一内尖端33、第二内尖端34均为朝向孔的中心方向延伸的尖端。
在一种优选实施方式中，所述第一外尖端31、第二外尖端32均由圆周背向所述圆周的圆心方向延伸，所述第一内尖端33、第二内尖端34均由所述圆周朝向所述圆周的圆心方向延伸，所述第一外尖端31、第一弧41、第一内尖端33、第三弧43、第二外尖端32、第二弧42、第二内尖端34、第四弧44首尾相接构成所述孔3，所述第一弧41、第二弧42、第三弧43、第四弧44均位于所述圆周上。所述圆周的直径优选为334nm-374nm。
在一种优选实施方式中，所述第一外尖端31是以第一外尖端31的尖端端点和第二外尖端32的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构且第二外尖端32是以第一外尖端31的尖端端点和第二外尖端32的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构；所述第一内尖端33是以所述第一内尖端33的尖端端点和第二内尖端34的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构且第二内尖端34是以所述第一内尖端33的尖端端点和第二内尖端34的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构。
在一种优选实施方式中，所述第一外尖端31、第二外尖端32以第一内尖端33的尖端端点和第二内尖端34的尖端端点之间的直线连线为轴相互对称，所述第一内尖端33、第二内尖端34以第一外尖端31的尖端端点和第二外尖端32的尖端端点之间的直线连线为轴相互对称。
外尖端和内尖端的角度在30°-53°的优选角度范围内：30°时，共振最大，53°，共振最小。第一外尖端31与所述圆周的交点之间的距离、所述第二外尖端32与所述圆周的交点之间的距离、所述第一内尖端33与所述圆周的交点之间的距离、所述第二内尖端34与所述圆周的交点之间的距离均优选为70nm-110nm。
各个所述孔3形成的阵列的形状优选为正方形或长方形，阵列周期长度优选为500nm-700nm。
电介质基底1的电介质的材料优选为石英或苯并环丁烯，优选石英；所述电介质的厚度优选为175nm-225nm。
金属薄膜2的材料为可产生表面等离子体的金属材料。金属薄膜2的材料优选为银或金，更优选银；所述金属薄膜2的厚度优选为50nm-150nm。
将表面等离子体光开关界定于X,Y,Z笛卡尔正交坐标系，其中X轴、Z轴分别为横向阵列周期方向、纵向阵列周期方向，Y轴垂直于X、Z轴构成的平面，第一外尖端31和第二外尖端32均沿X轴方向，并以第一内尖端33和第二内尖端34的尖端端点的直线连线为对称轴对称分布；第一内尖端33和第二内尖端34均沿Z轴方向，并以第一外尖端31和第二外尖端32的尖端端点的直线连线为对称轴对称分布。
内尖端和外尖端分别沿着Z轴和X轴分布时，改变入射光偏振方向，可使尖端上的LSP变化最大(即从LSP共振最强和没有发生LSP共振之间转变)，从而使得透射率变化最大。
圆形孔是形状最简单的孔，因此本发明在圆形孔上添加尖端形成孔3。由于本发明在纳米量级制作，因此采用圆形孔的制作难度最小，采用别的形状的孔会大大增加制作该光开关的难度。
本发明的基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关由电介质基底1和金属薄膜2组成，金属薄膜2上存在由N个相同的孔3周期性排布所形成的阵列；每个单元孔3都存在两个相同的外尖端和两个相同的内尖端，其中每个尖端都沿阵列周期方向分布，并且外尖端的连线和内尖端的连线相互垂直。该发明的器件仅由电介质基底1和具有孔阵列的金属薄膜2组成，尺寸小，结构简单；另外，只需改变入射光的偏振方向，便能有效控制近红外光的开关，操作方便，无泵浦光对信号光及后续光路的干扰。
图1不仅给出了一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关的结构示意图，而且展示了一种该光开关的工作过程。该光开关由电介质基底1、金属薄膜2组成。金属薄膜2位于电介质基底1正上方。金属薄膜2上存在由N个相同的孔3周期性排布所形成的阵列。入射光垂直照射该光开关，通过改变入射光的偏振方向，从而改变光在近红外波段的透射率，实现对近红外光的开关控制。图2是本发明的表面等离子体光开关中一个单元结构的二维侧视剖面示意图，其中Px是阵列沿x轴方向的周期长度，Pz是阵列沿z轴方向的周期长度；E代表入射光的偏振方向；D代表孔3的直径，θ代表尖端的角度，L代表尖端的底部长度。尖端是通过改变圆形孔的边缘轮廓曲率所形成的。每个孔3都存在两个相同的外尖端(即31和32)和两个相同的内尖端(即33和34)。第一外尖端31和第二外尖端32均沿阵列x轴方向分布；第一内尖端33和第二内尖端34均沿阵列z轴方向分布，因此外尖端(即31和32)之间的连线和内尖端(即33和34)之间的连线相互垂直。当入射光偏振方向沿z轴方向，该光开关处于“开”状态；当入射光偏振方向沿x轴方向，该光开关处于“关”状态。改变入射光的偏振方向，是本领域的公知技术，本领域人员可以理解。
Px为横向阵列周期，Pz为纵向阵列周期，二者可相等或不相等。
实施例1
电介质基底1的材料为石英，厚度为225nm；金属薄膜2的材料为银，厚度为50nm。孔阵列的形状为正方形，且阵列周期Px＝Pz＝600nm。单个孔3的孔径大小D为354nm，尖端的角度θ为53°，尖端的底部长度L为70nm。尖端的底部长度即为尖端(第一外尖端31、第二外尖端32、第一内尖端33、第二内尖端34)与所述圆周的交点之间的距离，图3是该实施例中开状态单元结构银/石英界面处(x,z)平面内电场z分量Ez的空间分布图。由于入射光偏振方向沿z轴，第一外尖端31和第二外尖端32均垂直入射光偏振方向分布，第一内尖端33和第二内尖端34均平行入射光偏振方向分布，所以外尖端(即31和32)和内尖端(即33和34)上都存在强烈的LSP共振。图4是实施例1中关状态单元结构银/石英界面处(x,z)平面内电场x分量Ex的空间分布图。由于入射光偏振方向沿x轴，第一外尖端31和第二外尖端32均沿着入射光偏振方向分布，第一内尖端33和第二内尖端34均垂直入射光偏振方向分布，所以外尖端(即31和32)和内尖端(即33和34)上都不存在LSP共振。通过改变入射光偏振方向，使得周期性孔阵列中单元结构上发生LSP共振的边缘尖端数量发生改变，从而使周期性金属小孔阵列近红外波段的透射率发生改变，实现一个基于表面等离子体的光开关。图5是实施例1中的透过率谱，此时开关波长λ0为1240nm，光开关处于开状态时λ0处的透射峰值Ton为0.84，光开关处于关状态时λ0处的透过率Toff仅为0.29。开关比η＝10lg(Ton/Toff)＝4.62dB，实现了对近红外波段光的开关操作。
实施例2
本发明可以通过改变基于周期性孔阵列的表面等离子体光开关的材料种类、材料厚度、阵列形状、阵列周期以及孔3的结构参数(孔径大小、尖端角度、尖端底部长度)等参数来有效调控该光开关性能，从而满足不同环境下的使用要求。
实施例2展示了一种可以在光通信环境下使用的基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关。电介质基底1的材料为石英，厚度为225nm；金属薄膜2的材料为银，厚度为50nm。孔阵列的形状为正方形，且阵列周期Px＝Pz＝600nm。单个孔3的孔径大小D为354nm，尖端的角度θ为53°，尖端的底部长度L为110nm。图6是实施例2中的透过率谱，此时开关波长λ0为1550nm，光开关处于开状态时λ0处的透射峰值Ton为0.93，光开关处于关状态时λ0处的透过率Toff仅为0.11。开关比η＝10lg(Ton/Toff)＝9.27dB，实现了对近红外波段1550nm光的开关操作，表明该光开关在光通信领域将有一定的应用。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，所述表面等离子体光开关为微纳结构，所述表面等离子体光开关由电介质基底(1)和位于电介质基底(1)上的金属薄膜(2)构成，所述金属薄膜(2)的材料为可产生表面等离子体的金属材料，其特征在于：所述金属薄膜(2)上设有多个相同的孔(3)，各个所述孔(3)周期性排列形成阵列；所述孔(3)上设置有内尖端、外尖端，所述外尖端包括相对设置的第一外尖端(31)、第二外尖端(32)，所述第一外尖端(31)、第二外尖端(32)均为背向孔的中心方向延伸的尖端，所述内尖端包括相对设置的第一内尖端(33)、第二内尖端(34)，所述第一内尖端(33)、第二内尖端(34)均为朝向孔的中心方向延伸的尖端；所述第一外尖端(31)和第二外尖端(32)均沿横向阵列周期方向分布；所述第一内尖端(33)和第二内尖端(34)均沿纵向阵列周期方向分布；所述第一外尖端(31)的尖端端点和第二外尖端(32)的尖端端点之间的直线连线与所述第一内尖端(33)的尖端端点、第二内尖端(34)的尖端端点之间的直线连线相互垂直；所述第一外尖端(31)、第二外尖端(32)均由圆周背向所述圆周的圆心方向延伸，所述第一内尖端(33)、第二内尖端(34)均由所述圆周朝向所述圆周的圆心方向延伸，第一外尖端(31)、第一弧(41)、第一内尖端(33)、第三弧(43)、第二外尖端(32)、第二弧(42)、第二内尖端(34)、第四弧(44)首尾相接构成所述孔(3)，所述第一弧(41)、第二弧(42)、第三弧(43)、第四弧(44)均位于所述圆周上；外尖端和内尖端的角度均为30°-53°，所述第一外尖端(31)与所述圆周的交点之间的距离、所述第二外尖端(32)与所述圆周的交点之间的距离、所述第一内尖端(33)与所述圆周的交点之间的距离、所述第二内尖端(34)与所述圆周的交点之间的距离均为70 nm-110 nm；所述金属薄膜(2)的厚度为50 nm-150 nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，其特征在于：所述第一外尖端(31)是以第一外尖端(31)的尖端端点和第二外尖端(32)的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构且第二外尖端(32)是以第一外尖端(31)的尖端端点和第二外尖端(32)的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构。
3.根据权利要求1所述的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，其特征在于：所述第一内尖端(33)是以所述第一内尖端(33)的尖端端点和第二内尖端(34)的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构且第二内尖端(34)是以所述第一内尖端(33)的尖端端点和第二内尖端(34)的尖端端点之间的直线连线为对称轴的对称结构。
4.根据权利要求1所述的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，其特征在于：所述第一外尖端(31)、第二外尖端(32)以第一内尖端(33)的尖端端点和第二内尖端(34)的尖端端点之间的直线连线为轴相互对称，所述第一内尖端(33)、第二内尖端(34)以第一外尖端(31)的尖端端点和第二外尖端(32)的尖端端点之间的直线连线为轴相互对称。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，其特征在于：所述圆周的直径为334 nm-374 nm。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，其特征在于：所述孔(3)的数量不小于9，各个所述孔(3)形成的阵列的形状为正方形或长方形。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，其特征在于：各个所述孔(3)形成的阵列的阵列周期长度为500 nm-700 nm。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，其特征在于：所述电介质基底(1)的电介质的材料为石英或苯并环丁烯。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，其特征在于：所述电介质基底(1)的厚度为175 nm-225 nm。
10.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，其特征在于：所述金属薄膜(2)的材料为银或金。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关，其特征在于：所述表面等离子体光开关的开关比为4.62dB或9.27dB。
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