CN109613632A - 基于柔性表面等离激元耦合器的可调谐振腔及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调谐振腔及其制备方法，该可调环形谐振腔包括由上支柔性波导和下支柔性波导组成的可调谐柔性表面等离激元耦合器，其包括柔性表面等离激元定向耦合器，位于下支柔性波导上用于传导光信号的第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导，以及由上支柔性波导两端耦合对接形成的柔性表面等离激元谐振环；该谐振环的环形面与下支柔性波导所在平面垂直。制备方法为：制备可调谐柔性表面等离激元耦合器；将上支柔性波导和下支柔性波导的左右两端分离至柔性表面等离激元定向耦合器处；将上支柔性波导两端卷曲对接、形成三维立体柔性表面等离激元谐振环，即得。该谐振腔可降低弯曲损耗，提高Q值。

Description

基于柔性表面等离激元耦合器的可调谐振腔及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔及其制备方法，属于集成光学技术领域。

背景技术

集成光学环形谐振腔是目前集成光学功能器件及系统中应用最广泛的结构之一，是环形激光器、滤波器、光调制器、光开关等众多集成光学功能器件的核心敏感单元。尤其，利用集成光波导结构实现的环形谐振腔因其光场局域作用强、模式体积小、可实现单片集成以及与传统的CMOS工艺兼容等优点，在光传感、光通信等诸多领域具有非常广阔的应用前景。其中，高品质因数(Quality factor，Q值)是提高谐振腔传感灵敏度、增强各种光学效应的关键参数，研究高Q值波导环形谐振腔是集成光学谐振腔发展的必然趋势。影响Q值大小的主要因素为谐振腔的损耗系数和耦合系数。对于光波导器件来说，器件制作完成则结构参数固定，环内的损耗和耦合系数也随之固定，无法实现连续可调。

随着集成光学、纳米光学及微纳加工工艺的发展，具有光电复用、单模单偏振特点的表面等离激元波导成为集成光学领域的新兴研究方向。表面等离激元波导具有普通光波导所不具备的特性：如可以实现在纳米尺度上的光信号传输；可保持信号长程传输过程中的单一偏振态，实现各种尺寸下单模传输；可对表面等离激元波导的金属芯层直接调制以实现表面等离激元波导器件的高效调谐等。利用表面等离激元波导构成的环形谐振腔，光子和电子的混合模式沿金属-介质表面传输，具有优良的单偏振谐振特性，为实现众多高性能集成光子器件和光传感器件提供了崭新的技术途径。而且，表面等离激元波导的芯层可以同时用于传输光信号和电信号，在光电混合集成光方面也具有重要的应用价值。

目前利用表面等离激元波导构成的环形谐振腔存在着一个技术瓶颈，就是通过平面光波导工艺制成的表面等离激元谐振腔具有很大的弯曲损耗，严重影响了谐振腔的性能。这主要是由于表面等离激元波导的金属芯层厚度一般为纳米量级而宽度在微米量级，在波导弯曲时，波导芯层对传输模式的横向束缚作用很弱，模式光会发生明显的横向泄露。因此，表面等离激元波导一般只用于制备直波导类器件，难以研制弯曲波导器件，如环形谐振腔等。

发明内容

发明目的：针对现有的表面等离激元波导构成的环形谐振腔存在的弯曲损耗大、谐振腔的损耗及耦合系数无法调节等问题，本发明提供一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，并提供一种该谐振器的制备方法。

技术方案：本发明所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，该可调谐振腔包括由上支柔性波导和下支柔性波导组成的可调谐柔性表面等离激元耦合器，该可调谐柔性表面等离激元耦合器包括由上支柔性波导和下支柔性波导的中间部分波导构成的柔性表面等离激元定向耦合器，位于下支柔性波导上、柔性表面等离激元定向耦合器左右两侧的用于传导光信号的第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导，以及由上支柔性波导两端耦合对接形成的柔性表面等离激元谐振环；该柔性表面等离激元谐振环的环形面与下支柔性波导所在平面垂直。

上述可调谐柔性表面等离激元耦合器可为表面等离激元波导耦合器，其波导结构包括自下而上依次设置的柔性衬底、下包层、芯层和上包层，其中，芯层的材质为金属材料，上包层、下包层的材质为柔性有机聚合物材料。

优选的，芯层厚度为6～50nm，芯层宽度为2～20μm。进一步的，上包层和下包层的厚度为5～50μm。

其中，柔性表面等离激元定向耦合器位于下支柔性波导上的一侧引出两电极触点，每个电极触点上连接有调制电极，用于调谐柔性表面等离激元耦合器的耦合比。

本发明所述的一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔的制备方法，包括下述步骤：

(1)制备可调谐柔性表面等离激元耦合器，其包括上支柔性波导和下支柔性波导，下支柔性波导上连接有调制电极；

(2)将上支柔性波导和下支柔性波导的左右两端分离开来，中心未分离的部分构成柔性表面等离激元定向耦合器，下支柔性波导上形成位于柔性表面等离激元定向耦合器左右两侧的第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导；

(3)将上支柔性波导两端分离开的部分卷曲对接、形成三维立体柔性表面等离激元谐振环；

(4))在下支柔性波导的调制电极上施加电信号、调节耦合器的耦合系数。通过在调制电极上施加电信号，通过电信号的大小调节耦合器的耦合系数，实现环形谐振腔谐振特性的调谐。

上述步骤(1)中，可调谐柔性表面等离激元耦合器由表面等离激元波导构成，其波导结构包括自下而上依次设置的柔性衬底、下包层、芯层和上包层，其中，芯层的材质为金属材料，上包层、下包层的材质为柔性有机聚合物材料。

优选的，可调谐柔性表面等离激元耦合器的制备方法包括下述步骤：

步骤11，采用柔性有机聚合物材料，通过旋涂在柔性衬底上制备出下包层；

步骤12，在下包层上旋涂制备出光刻胶掩膜，然后在该光刻胶掩膜上镀一层金属层，再通过剥离光刻胶得到金属芯层，该金属芯层包括芯层电极以及调制电极；

步骤13，采用柔性有机聚合物材料，通过旋涂工艺在芯层上制备出上包层。

进一步的，制备可调谐柔性表面等离激元耦合器时，上包层、下包层的厚度控制为5～50μm，芯层的厚度控制在6～50nm。

工作原理：光信号进入可调谐柔性表面等离激元耦合器，经第一柔性表面等离激元波导进入柔性表面等离激元定向耦合器，一部分光耦合进入柔性表面等离激元谐振环进行传输，另一部分光经定向耦合器输出；耦合进入柔性表面等离激元谐振环内的光每传输一圈均有一部分光经定向耦合器输出，并与之前输出的光进行多光束干涉叠加，干涉叠加后的光由定向耦合器输出至第二柔性表面等离激元波导，经其传导后输出。可调谐柔性表面等离激元耦合器的下支波导制作有调制电极，可通过加载电信号对柔性表面等离激元定向耦合器的耦合系数进行调谐。

有益效果：与现有的表面等离激元波导构成的环形谐振腔相比，本发明的优点在于：(1)本发明的谐振腔由柔性等离激元耦合器上支传输臂的两端弯曲连接，形成三维立体柔性环形谐振腔，当柔性等离激元波导侧向弯曲时，光会被紧密束缚在金属与介质界面处，可以有效降低弯曲引起的光辐射损耗，进而达到降低弯曲损耗的效果，提高了谐振腔的Q值，突破了该技术领域的一个技术瓶颈；而且，相比于其他等离激元环形谐振腔，该柔性谐振腔具有窄带的滤波特性；(2)本发明的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔可实现光电信号复用，在传输光信号的同时金属芯层还可传输电信号，将柔性表面等离激元耦合器中的下支传输臂中的金属芯层同时作为传电介质，在两端分别引出电极触点，通过向两个电极触电输入电压改变电极及其周围介质的温度，从而改变传输臂的光传输特性，实现对耦合器的耦合比调谐；谐振腔的Q值与耦合系数有关，通过耦合器耦合系数的调谐，可进一步提高谐振腔的Q值；(3)柔性衬底的弹性变形可以引起谐振腔结构的变形，进而影响光波导谐振腔的谐振特性，该特性可广泛应用在位移传感器、压力传感器及加速度传感器中。

附图说明

图1为本发明的基于柔性表面等离激元耦合器的可调谐振腔的立体结构示意图；

图2为可调谐柔性表面等离激元耦合器的平面结构示意图；

图3为可调谐柔性表面等离激元耦合器中柔性表面等离激元波导纵截面示意图；

图4为平面表面等离激元弯曲波导与本发明的柔性表面等离激元弯曲波导的弯曲损耗示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1～2，本发明的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔由可调谐柔性表面等离激元耦合器1构成，包括柔性表面等离激元定向耦合器6、用于传导输入光信号的第一柔性表面等离激元波导4、用于传导输出光信号的第二柔性表面等离激元波导5、柔性表面等离激元谐振环7和调制电极8。

可调谐柔性表面等离激元耦合器1由上支柔性波导11和下支柔性波导12组成，其中，左侧部分及右侧部分的上支柔性波导11与下支柔性波导12均相互分离，未分离的中间部分构成柔性表面等离激元定向耦合器6。

柔性表面等离激元谐振环7由上支柔性波导11弯曲并将其左端9和右端10耦合对接构成。

下支柔性波导12上柔性表面等离激元定向耦合器6的左侧、右侧两部分分别为第一柔性表面等离激元波导4和第二柔性表面等离激元波导5，其中，第一柔性表面等离激元波导4的左端为光输入端2，第二柔性表面等离激元波导5的右端为光输出端3。下支柔性波导12上设有调制电极8，用于调谐柔性表面等离激元耦合器的耦合比；具体而言，柔性表面等离激元定向耦合器6位于下支柔性波导12上的一侧引出两电极触点，调制电极8制备在下支柔性波导12上、与电极触点上连接。

可调谐柔性表面等离激元耦合器1的上支柔性波导11和下支柔性波导12均制备于柔性衬底上。具体而言，可调谐柔性表面等离激元耦合器1由表面等离激元波导构成，其波导横截面如图3，由下至上依次为柔性衬底13、下包层14、芯层15、上包层16，其中下包层14和上包层15均为折射率合适的柔性有机聚合物材料，厚度为5微米至50微米之间，芯层15为金、银、铜等高电导率金属材料，厚度为6纳米至50纳米之间，宽度为2微米至20微米之间。

本发明提出的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其可调谐功能主要通过改变柔性表面等离激元定向耦合器6的耦合系数实现。对于定向耦合器而言，上支波导和下支波导之间的折射率不对称会引起模式失配，耦合效率降低，耦合比减小。因此，通过调节电极引脚输入电信号的功率实现周围介质的温度变化，进而调节介质折射率，可灵活的控制耦合器的耦合系数。

表面等离激元波导的金属芯层15具有光电复用特性，既能传输光信号，也能传输电信号，利用表面等离激元波导金属芯层光电复用特性可实现谐振腔性能的可调谐。在可调谐柔性表面等离激元耦合器1的下支柔性波导12上制作有调制电极8，可通过加载电信号对柔性表面等离激元定向耦合器6的耦合系数进行调谐。

该基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔的工作原理如下：光信号从光输入端2进入可调谐柔性表面等离激元耦合器1，经第一柔性表面等离激元波导4进入柔性表面等离激元定向耦合器6，一部分光耦合进入柔性表面等离激元谐振环7进行传输，另一部分光经定向耦合器6输出；耦合进入柔性表面等离激元谐振环7内的光每传输一圈均有一部分光经定向耦合器6输出，并与之前输出的光进行多光束干涉叠加，干涉叠加后的光由定向耦合器6输出至第二柔性表面等离激元波导5，后经光输出端3输出。

传统平面光波导制备技术加工的平面弯曲表面等离激元波导具有很大的弯曲损耗。这主要是因为表面等离激元波导的金属芯层厚度为纳米量级，而宽度为微米量级，波导对光的束缚主要在金属——介质的界面处，即在纵向方向对光的束缚较强，因此在波导弯曲时，波导芯层对光的横向束缚作用很弱，模式光会发生明显的泄漏。而本发明提出的柔性表面等离激元可调环形谐振腔，其波导是侧向弯曲，即弯曲方向为金属——介质界面的垂直方向，波导弯曲时光会被紧密束缚在金属与介质界面处，因此可以有效降低弯曲引起的光辐射损耗，进而降低表面等离激元波导的弯曲损耗，如图4。本发明突破了该技术领域的一个核心技术瓶颈，可使得表面等离激元波导的弯曲损耗极大地降低，从而可提高表面等离激元环形谐振腔的Q值。

本发明的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔的制备方法如下：

第一步，制备可调谐柔性表面等离激元耦合器1：首先在柔性衬底13上，利用柔性聚合物包层材料，通过旋涂工艺在衬底上制备出下包层14，厚度为5微米至50微米之间；然后在下包层14上旋涂光刻胶，通过光刻、显影制备出光刻胶掩膜，再利用蒸发或溅射等镀膜方法镀一层金属层，厚度为6纳米至50纳米之间，然后通过剥离光刻胶的工艺，得到柔性表面等离激元波导的金属芯层15，制备芯层电极的同时制备了调制电极，因此，此处金属芯层15包括了芯层电极以及调制电极；最后利用柔性聚合物包层材料，通过旋涂工艺制备出上包层16，厚度为5微米至50微米之间。

第二步，剪切分离：将可调谐柔性表面等离激元耦合器1的上支柔性波导11和下支柔性波导12利用波导剪切工艺进行分离，直至两柔性波导的中心部分、未分离的中心部分构成柔性表面等离激元定向耦合器6；同时，下支柔性波导12上、柔性表面等离激元定向耦合器6的左右两侧形成游离的第一柔性等离激元波导4和第二柔性等离激元波导5；

第三步，构建柔性表面等离激元谐振环7：将上支柔性波导11的左端9、右端10经端面抛光、卷曲对接，形成三维立体柔性表面等离激元谐振环7；

第四步，调节耦合系数：在下支柔性波导12的调制电极8上施加电信号，通过电信号的大小调节耦合器的耦合系数，实现环形谐振腔谐振特性的调谐。

实施例

采用柔性有机聚合物材料制备可调谐柔性表面等离激元耦合器，其中，芯层厚度15nm，芯层宽度6μm，上下包层厚度为20μm；对其进行剪切分离，得到柔性表面等离激元定向耦合器、第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导；然后将上支柔性波导的左、右两端经端面抛光、卷曲对接，形成三维立体柔性表面等离激元谐振环，最好调节耦合系数，得到本发明的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其弯曲损耗如图4。

对比例

制备现有常规的平面表面等离激元谐振腔，其尺寸大小与实施例中相同，即芯层厚度15nm，芯层宽度6μm，上下包层厚度为20μm；其中，上包层和下包层采用二氧化硅，衬底采用硅片或石英，且表面等离激元谐振环的弯曲方向为平面弯曲，即表面等离激元谐振环与定向耦合器在同一平面内；所得可调谐振腔的弯曲损耗如图4。

由图4可以明显看出，与平面表面等离激元谐振腔相比，与本发明的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔的弯曲损耗大幅降低。

Claims (9)

1.一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，该可调谐振腔包括由上支柔性波导和下支柔性波导组成的可调谐柔性表面等离激元耦合器，该可调谐柔性表面等离激元耦合器包括柔性表面等离激元定向耦合器、用于传导光信号的第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导、以及柔性表面等离激元谐振环，所述第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导位于下支柔性波导上、柔性表面等离激元定向耦合器的左右两侧，所述柔性表面等离激元谐振环由上支柔性波导两端耦合对接形成；该柔性表面等离激元谐振环的环形面与下支柔性波导所在平面垂直。

2.根据权利要求1所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，所述可调谐柔性表面等离激元耦合器为表面等离激元波导耦合器，其波导结构包括自下而上依次设置的柔性衬底、下包层、芯层和上包层，其中，芯层的材质为金属材料，上包层、下包层的材质为柔性有机聚合物材料。

3.根据权利要求2所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，所述芯层厚度为6～50nm，芯层宽度为2～20μm。

4.根据权利要求2所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，所述上包层、下包层的厚度为5～50μm。

5.根据权利要求1所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，所述柔性表面等离激元定向耦合器位于下支柔性波导上的一侧引出两电极触点，每个电极触点上连接有调制电极，用于调谐柔性表面等离激元耦合器的耦合比。

6.一种权利要求1所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)制备包括上支柔性波导和下支柔性波导的可调谐柔性表面等离激元耦合器；

(2)将上支柔性波导和下支柔性波导的左右两端分离开来，中心未分离的部分形成柔性表面等离激元定向耦合器，且下支柔性波导上、柔性表面等离激元定向耦合器两侧形成第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导；

(3)将上支柔性波导两端分离开的部分卷曲对接、形成三维立体柔性表面等离激元谐振环；

(4)在下支柔性波导的调制电极上施加电信号、调节耦合器的耦合系数。

7.根据权利要求6所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述可调谐柔性表面等离激元耦合器由表面等离激元波导构成，其波导结构包括自下而上依次设置的柔性衬底、下包层、芯层和上包层，其中，芯层的材质为金属材料，上包层、下包层的材质为柔性有机聚合物材料。

8.根据权利要求7所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔的制备方法，其特征在于，所述可调谐柔性表面等离激元耦合器的制备方法包括下述步骤：

步骤11，采用柔性有机聚合物材料，通过旋涂在柔性衬底上制备出下包层；

步骤12，在下包层上旋涂制备出光刻胶掩膜，然后在该光刻胶掩膜上镀一层金属层，再通过剥离光刻胶得到金属芯层；

步骤13，采用柔性有机聚合物材料，通过旋涂工艺在芯层上制备出上包层。

9.根据权利要求8所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔的制备方法，其特征在于，所述上包层、下包层的厚度为5～50μm，所述芯层的厚度为6～50nm。