CN109870765B - 一种基于单根硅线的增益辅助超共振 - Google Patents

一种基于单根硅线的增益辅助超共振 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于单根硅线的增益辅助超共振，所述增益辅助超共振包括：硅衬底层和二氧化硅层；在所述二氧化硅层上端面按照预设排布周期设置有单晶硅线；在所述二氧化硅和所述单晶硅线的表面覆盖有嵌入了增益材料的二氧化硅增益层。本发明能够使其能在510‑560纳米波段可以实现超共振，并且，利用四能级‑二粒子模型计算得到的发射谱，反射谱的谱线宽度与增益材料自身谱线宽度极大的缩小，同时，所述结构图形简单，工艺简单，可以形成超共振，极大的增强近场强度。

Description

一种基于单根硅线的增益辅助超共振
技术领域
本发明涉及增益辅助超共振技术领域，尤其涉及一种基于单根硅线的增益辅助超共振。
背景技术
现在的增益辅助超共振一般是基于金属或者半导体的亚微米到微米级别的颗粒，将制备完成的微粒利用化学方法于溶液中在其表面生长一层嵌入了增益材料的外壳，再将其分散到一定的溶剂中形成胶体溶液。但是基于微粒的超共振单个微粒存在不好操控，制备麻烦等问题，而且溶剂的存在也会对系统的超共振产生影响。
目前已有的增益材料超共振研究，包括基于金属微球和半导体微球及椭球，利用对增益材料折射率虚部的改变，虽然都能够呈现出超共振现象，但是基于折射率的研究没有基于实际材料，在实际应用中有局限，因此基于实际材料的研究，设计出工艺简单，操作容易的增益辅助超共振系统是目前增益辅助超共振技术发展和应用领域需要解决的问题。
发明内容
本发明提供的基于单根硅线的增益辅助超共振，能够使其能在510-560纳米波段可以实现超共振，并且，利用四能级-二粒子模型计算得到的发射谱，反射谱的谱线宽度与增益材料自身谱线宽度极大的缩小，同时，所述结构图形简单，工艺简单，可以形成超共振，极大的增强近场强度。
第一方面，本发明提供一种基于单根硅线的增益辅助超共振，包括：
硅衬底层和二氧化硅层；
在所述二氧化硅层上端面按照预设排布周期设置有单晶硅线；
在所述二氧化硅层和所述单晶硅线的表面覆盖有嵌入了增益材料的二氧化硅增益层。
可选地，所述单晶硅线对应参数与发射谱，反射谱以及近场要求相对应，其中，
所述单晶硅线对应参数包括硅线高度、硅线线宽。
可选地，所述硅线高度范围为30nm-400nm。
可选地，所述硅线线宽范围为30nm-400nm。
可选地，所述预设排布周期A范围为0um<A≤6um。
可选地，所述嵌入了增益材料的二氧化硅增益层对应参数与发射谱，反射谱要求相对应，其中，
所述嵌入了增益材料的二氧化硅增益层对应参数包括厚度、增益材料种类。
可选地，所述嵌入了增益材料的二氧化硅增益层的厚度范围为30nm-400nm。
可选地，所述增益材料种类包括量子点、染料分子、稀土离子。
本发明实施例提供的基于单根硅线的增益辅助超共振主要是通过在所述二氧化硅层上端面设置无限长的单根硅线阵列作为硅线，硅线之间按照预设排布周期A进行排布，并使硅线之间的间隔足够远，进而可使得硅线之间的相互影响可忽略不计，硅线及二氧化硅层上均覆盖一层嵌入有增益材料的二氧化硅增益层，所述硅线结构可以使得硅线和硅线外壳(即二氧化硅增益层)中的增益材料产生耦合共振，从而极大的减小所述结构发射谱和反射谱的谱线宽度，并且硅线的近场在增益材料的作用下也大大增强，整个结构的能量更多束缚在硅线表面。
因此，能够使其能在510-560纳米波段可以实现超共振，并且，利用四能级-二粒子模型计算得到的发射谱，反射谱的谱线宽度与增益材料自身谱线宽度极大的缩小，同时，所述结构图形简单，工艺简单，可以形成超共振，极大的增强近场强度。
附图说明
图1为本发明一实施例基于单根硅线的增益辅助超共振的结构示意图；
图2为本发明一实施例增益辅助的单根硅线的发射谱；
图3为本发明一实施例增益辅助的单根硅线的反射谱；
图4为本发明一实施例增益辅助的单根硅线的近场截面示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于单根硅线的增益辅助超共振，如图1所示，所述超共振包括：
硅衬底层(如图1中Si Substrate所示)和二氧化硅层(如图1中SiO2所示)；
在所述二氧化硅层上端面按照预设排布周期(如图1中A所示)设置有单晶硅线阵列(如图1中Si所示)；
在所述二氧化硅层和所述单晶硅线的表面覆盖有嵌入了增益材料(如图1中OG所示)的二氧化硅增益层。
本发明实施例提供的基于单根硅线的增益辅助超共振主要是通过在所述二氧化硅层上端面设置无限长的单根硅线阵列作为硅线，硅线之间按照预设排布周期A进行排布，并使硅线之间的间隔足够远，进而可使得硅线之间的相互影响可忽略不计，硅线及二氧化硅层上均覆盖一层嵌入有增益材料的二氧化硅增益层，所述硅线结构可以使得硅线和硅线外壳(即二氧化硅增益层)中的增益材料产生耦合共振，从而极大的减小所述结构发射谱和反射谱的谱线宽度，并且硅线的近场在增益材料的作用下也大大增强，整个结构的能量更多束缚在硅线表面。
因此，能够使其能在510-560纳米波段可以实现超共振，并且，利用四能级-二粒子模型计算得到的发射谱，反射谱的谱线宽度与增益材料自身谱线宽度极大的缩小，同时，所述结构图形简单，工艺简单，可以形成超共振，极大的增强近场强度。
可选地，如图2所示，所述单晶硅线对应参数与发射谱，反射谱以及近场要求相对应，其中，
所述单晶硅线对应参数包括单晶硅线高度、单晶硅线线宽。
可选地，所述单晶硅线高度范围为30nm-400nm。
可选地，所述单晶硅线线宽范围为30nm-400nm。
可选地，所述预设排布周期A范围为0um<A≤6um。
可选地，所述嵌入了增益材料的二氧化硅增益层对应参数与发射谱，反射谱要求相对应，其中，
所述嵌入了增益材料的二氧化硅增益层对应参数包括厚度、增益材料种类。
可选地，所述嵌入了增益材料的二氧化硅增益层的厚度范围为30nm-400nm。
可选地，所述增益材料种类包括量子点、染料分子、稀土离子。
例如，利用特定增益材料的四能级-二粒子束模型及相关参数对结构进行仿真计算得出如下测试结果：
1、如图2所述增益辅助的单根硅线的受激发射谱(Emission spectrum of activesingle Si line)所示，入射方式为正入射，入射波长为495nm，在528nm处检测到发射波峰，发射谱的线宽为4.7nm，显著得降低了增益材料自身线宽，实现共振。
2、如图3所述增益辅助的单根硅线的反射谱(Reflectivity)所示，与发射谱类似，反射谱也可以看出此结构在528nm处产生了耦合共振，实现窄尖峰的发射谱。
3、如图4所述增益辅助的单根硅线在528nm时近场截面图所示，能量热点集中在硅线表面，硅线和二氧化硅外壳之间相互作用最强，耦合最强。
综上所示，本实施例所述基于单根硅线的增益辅助超共振，计算时直接利用实际的增益材料的参数，建立四能级-二粒子束增益材料模型，对整个结构进行仿真，计算出的结构参数可指导实际实验。
同时，本实施例所述基于单根硅线的增益辅助超共振能够通过将增益辅助的单根硅线均匀分布在二氧化硅衬底上，可利用SOI(Silicon on Insulator)晶圆直接用平面工艺加工而成，图形简单，易于加工。
另外，本实施例所述基于单根硅线的增益辅助超共振，在增益材料的激发谱波长范围内，可实现发射谱和反射谱线宽的窄化，相比增益材料自身的线宽，窄化线宽缩小11倍，近场相比无增益硅线增强9倍多。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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揭露的技术范围内，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的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种基于单根硅线的增益辅助超共振，其特征在于，包括：
硅衬底层和二氧化硅层；
在所述二氧化硅层上端面按照预设排布周期设置有单晶硅线；
在所述二氧化硅和所述单晶硅线的表面覆盖有嵌入了增益材料的二氧化硅增益层。
2.根据权利要求1所述的超共振，所述单晶硅线对应参数与发射谱，反射谱以及近场要求相对应，其中，
所述单晶硅线对应参数包括硅线高度、硅线线宽。
3.根据权利要求2所述的超共振，其特征在于，所述硅线高度范围为30nm-400nm。
4.根据权利要求2所述的超共振，其特征在于，所述硅线线宽范围为30nm-400nm。
5.根据权利要求1-4任一所述的超共振，其特征在于，所述预设排布周期A范围为0um<A≤6um。
6.根据权利要求5所述的超共振，其特征在于，所述嵌入了增益材料的二氧化硅增益层对应参数与发射谱，反射谱要求相对应，其中，
所述嵌入了增益材料的二氧化硅增益层对应参数包括厚度、增益材料种类。
7.根据权利要求6所述的超共振，其特征在于，所述嵌入了增益材料的二氧化硅增益层的厚度范围为30nm-400nm。
8.根据权利要求6所述的超共振，其特征在于，所述增益材料种类包括量子点、染料分子、稀土离子。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104092096A (zh) * 2014-06-27 2014-10-08 中国科学院半导体研究所 一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源
CN105004698A (zh) * 2015-06-09 2015-10-28 安徽师范大学 一种新型表面等离激元共振生物传感器
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001281473A (ja) * 2000-03-28 2001-10-10 Toshiba Corp フォトニクス結晶及びその製造方法、光モジュール並びに光システム

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104092096A (zh) * 2014-06-27 2014-10-08 中国科学院半导体研究所 一种硅波导输出的单模硅基混合激光光源
CN105004698A (zh) * 2015-06-09 2015-10-28 安徽师范大学 一种新型表面等离激元共振生物传感器
CN206818611U (zh) * 2017-05-15 2017-12-29 安徽大学 基于周期纳米颗粒阵列的表面等离子体共振传感器基底
CN207351906U (zh) * 2017-11-10 2018-05-11 天津富伟科技有限公司 一种放大拉曼光谱信号的镀金基片

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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硅基混合表面等离子体纳米光波导及集成器件;管小伟，吴昊，戴道锌;《中国光学》;20140415;全文 *

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