CN112213820A - 一种基于表面等离激元共振的mimi型微纳全光开关 - Google Patents

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Abstract

本发明为涉及纳米集成光学技术领域的一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关。其特征是：本发明整体为在介质基板上生长周期排列的格点阵列，该格点阵列由金属‑介质‑金属‑介质(从上到下)组成。上述纳米阵列器件拥有极高的品质因子(Q)及极窄的半宽全高(FWHM)，并且在阈值折射率附近共振峰会出现明显的跳变等特点。根据上述特点本发明可用于一种高灵敏度全光开关的设计及制作，可广泛用于微纳尺度窄线宽滤波器及生化传感器等光学器件的制作，在光通信、环境健康监测等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关，可用于微纳全光开关、窄线宽滤波器、生化传感器等，属于纳米集成光学技术领域。
(二)背景技术
伴随着信息化时代的到来，在半导体领域的集成化越来越高，人们希望将更多的器件集成到更小的芯片上。纳米光子学理论的出现，使人们找到了解决这些问题的方法。表面等离激元是其核心，因为其能够在纳米尺度范围聚焦很强的电磁能量，突破传统光学中的衍射极限，这种现象也称为表面等离激元(Surface Plasmon,SP)共振现象。当金属纳米颗粒与入射光发生耦合时，金属内部的自由电荷只会在颗粒内部产生，并且在核心周围产生振荡，这种振荡被称为局域表面等离子体共振(Localized surface plasmonresonance，LSPR).金属颗粒的极化率是典型的洛伦兹曲线。
Fano共振是一种特殊的局域模式，其微观的起源是具有宽谱线的超辐射亮模式或连续谱与窄的离散共振发生相长干涉或相消干涉。这种超辐射亮模式是一种强辐射集体偶极模式，起源于偶极子振荡，其宽谱线特征是由于辐射阻尼的存在，从而使偶极子振荡被辐射和展宽，这种亮模式能够由入射光直接激发；而窄的离散共振是一种子辐射暗模式，这种模式不能被入射光直接激发，它的激发条件是当结构内产生一种不对称的电磁场后，这种场打破了结构在空间上的对称性，亮暗模式的近场相互作用不为零，此时暗模式由亮模式激发，且只能局域在近场。
近年来，在大量的等离激元纳米结构中也发现了Fano共振的现象。在其较窄的谱线形状和更强的电磁场增强特性成为了一个新的研究热点。Fano共振可在慢光、化学灵敏度、表面增强拉曼光谱(SERS)等许多领域有很广泛的应用。因此，对于纳米金属颗粒局域表面等离激元与其他共振耦合形成Fano干涉的行为的研究具有重要的意义。
传统的单个纳米结构支持局域表面等离子体共振。然而，基于LSPRs的光学器件存在品质因子低和局域场增强特性不高的局限性(品质因子一般小于20)。近年来，随着微纳技术普遍的发展，研究人员发现了比LSPRs损耗更低、品质因子更高、半峰全宽(FWHM)更窄的表面等离激元格点共振(Plasmonsic Surface Lattice Resonances，SLRs)。相较而言LSPRs有更优越的光学特性，但是其光学特性还有进一步提升的空间。
本发明主要是由金属-介质纳米粒子阵列结构产生的Fano共振。在本发明中，根据金属纳米粒子阵列Fano共振的基本产生原理，通过改变波导上金属颗粒的大小、结构周期以及环境折射率以达到在特定谐振波长处产生的Fano共振，从而实现当外界折射率发生变化并达到某一设定阈值时，可实现全光开关功能。此外，该结果亦可进一步应用于可实现折射率生物传感，滤波器等功能。
(三)发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种结构紧凑，方便制作的全光开关器件。根据金属纳米二聚体阵列Fano共振的基本产生原理，通过改变波导上金属颗粒的大小、结构周期以及环境折射率以求达到在特定谐振波长处发生的Fano共振，并实现在外界折射率变化到某一设定阈值时，实现全光开关功能。同时拥有更高的品质因子和局域场增强特性进一步可拓展到折射率生物传感器，全光滤波器等功能的实现。
本发明的目的是这样实现的：
具体的，本发明提出的一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关整体包括在介质基板(5)和其上生长的周期排列的格点阵列。设定光源为平行于X轴偏振沿-Z轴传播的平面波。所述格点阵列结构从上到下依次为金属纳米柱(1)、介质柱(2)、金属纳米柱(3)、介质柱(4)堆栈形成。所述格点阵列结构金属纳米柱(1)(3)，介质柱(2)(4)均为长方体纳米柱构成。所述周期阵列结构在X，Y方向按相同周期排列于介质基板(5)上形成一个完整的阵列结构器件。
其中，所述的阵列结构周期在440nm～510nm之间，在周期小于490nm的时候，反射谱上仅仅显示一个非对称型共振峰，并且在周期为450nm时最为明显。当周期达到490nm～510nm范围内，在本来的Fano峰旁边出现另一个比较浅的非对称峰，并且在周期为500nm时取得最优结果。
进一步，所述的金属纳米柱的材料选取为贵金属金(Au)，介质柱的材料选取为二氧化硅(Sio2)。其中，金属纳米柱(1)(3)的高度相同，取值范围在60～100nm之间。上层介质柱(2)高度为100nm，下层介质柱高度为定值130nm。
进一步，所述的金属纳米柱(1)(3)和介质柱(2)(4)的宽度R(沿X方向)以及厚度(沿Y方向)相同，取值范围在150nm～200nm之间。并且当R为180nm时形成的非对称形Fano峰的品质因最高，同样意味着R＝180nm时为最优结构参数。
进一步，所述的金属纳米柱(1)(3)的取值范围在60nm～100nm之间，当上下两层金属介质的高度为80nm时，形成的共振峰具有最为尖锐的线型，具有最大的品质因子。
进一步，所述的周期阵列结构置于环境折射率n为1.0～1.35范围内，随着n的增大，反射光谱中的两个共振峰逐渐靠近，并且峰值逐渐降低。当折射率大于1.2的时候，反射谱的共振峰强度降到50％以下。据此可将该器件设计为一个根据环境折射率控制通断的全光开关。
进一步，所述的基板材料选取为折射率为1.52的BK-7玻璃介质，亦可选取折射率更高的铟锡氧化物(ITO)选为基底。
经计算，左侧共振峰在n为1.2时FWHM仅为3.5nm，品质因子Q为194.28。右侧共振峰在n为1.0时FWHM仅有1.5nm，品质因子为454.3。与现有技术相比，实现了更窄的线宽(<10nm)以及更高的品质因子(提升一个数量级)。由于该结构具有优越的光学特性，不仅可以通过折射率调制实现全光开关功能，该结果亦可应用于纳米激光、生物传感等领域。
(四)附图说明
图1为本发明三维周期阵列结构示意图。
图2为本发明在3个周期阵列结构的X-Z面二维结构示意图。
图3为本发明阵列周期T在440nm～510nm范围内变化得到的反射光谱图。
图4为本发明金属纳米柱(1)、(3)和介质柱(2)、(4)在宽度和厚度为150nm～200nm范围内变化得到反射光谱图。
图5为本发明金属纳米柱(2)、(4)高度为60nm～100nm范围内变化得到的反射光谱图。
图6为本发明改变环境折射率的情况下得到的反射光谱图。
图7位本发明随着环境折射率在1～1.3范围内变化的品质因子折线图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
具体的，本发明提出的一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关整体包括在介质基板(5)和其上生长的周期排列的格点阵列。设定光源为平行于X轴偏振沿Z轴负半轴传播的平面波。所述格点阵列结构从上到下依次为金属纳米柱(1)、介质柱(2)、金属纳米柱(3)、介质柱(4)堆栈形成。所述格点阵列结构金属纳米柱(1)(3)，介质柱(2)(4)均为长方体纳米柱构成。所述周期阵列结构在X，Y方向按相同周期排列于介质基板(5)上形成一个完整的阵列结构器件。通过优化结构参数最终得到一种根据折射率调制的全光开关。
其中，所述的阵列结构周期在440nm～510nm之间，在周期小于490nm的时候，反射谱上仅仅显示一个非对称型共振峰，并且在周期为450nm时最为明显。当周期达到490nm～510nm范围内，在本来的Fano峰旁边出现另一个比较浅的非对称峰，并且在周期为500nm时取得最优结果。
进一步，所述的金属纳米柱材料的选取为贵金属金(Au)，介质柱的材料选取为二氧化硅(sio2)。其中，金属纳米柱(1)(3)的高度相同，取值范围在60～100nm之间。上层介质柱(2)高度为100nm，下层介质柱高度为定值130nm。所述的金属纳米柱(1)(3)的取值范围在60nm～100nm之间，当上下两层金属介质的高度为80nm时，形成的共振峰具有更加尖锐的线型，具有最大的品质因子，通过计算品质因子可达到450。比传统的局域表面等离子体共振、表面格点共振产生的共振峰提高了一个数量级。
进一步，所述的金属纳米柱(1)(3)和介质柱(2)(4)的宽度R(沿X方向)以及厚度(沿Y方向)相同，取值范围在150nm～200nm之间。并且当R为180nm时形成的非对称形Fano峰的品质因最高，同样意味着R＝180nm的时候最为合适。
进一步，所述的周期阵列结构置于环境折射率n为1.0～1.35范围内，随着n的增大，反射光谱中的两个共振峰逐渐靠近，并且峰值逐渐降低。当折射率大于1.2的时候，反射谱的共振峰强度降到50％以下。据此可将该器件设计为一个根据环境折射率控制通断的全光开关。另外，在n为1.33时，左右两个共振峰相互耦合形成一个共振峰。
经计算，左侧共振峰在n为1.2时FWHM仅为3.5nm，品质因子Q为194.28。右侧共振峰在n为1.0时FWHM仅有1.5nm，品质因子为454.3。与现有技术相比，实现了更窄的线宽(<10nm)以及更高的品质因子(提升一个数量级)。由于该结构具有优越的光学，不仅可以作为通过折射率调制实现全光开关功能，亦可在纳米激光、生物传感等领域实现巨大的应用价值。

Claims (6)

1.一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关。其特征是：本发明整体为在介质基板(5)和其上生长的周期排列的格点阵列，设定光源为平行于X轴偏振沿-Z轴传播的平面波。其特征在于：
所述周期阵列结构在X，Y方向按相同周期排列于介质基板(5)上。
所述格点阵列结构从上到下依次为金属纳米柱(1)、介质柱(2)、金属纳米柱(3)、介质柱(4)堆栈形成。其中：金属纳米柱(1)(3)由同种金属构成，介质柱(2)(4)由同种介质构成。
所述格点阵列结构金属纳米柱(1)(3)，介质柱(2)(4)均为长方体纳米柱构成。其中，金属纳米柱的高度相同吗，介质柱(2)(4)的高度不同。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关。其特征是：所述的周期格点阵列周期在沿轴X,Y方向按相同周期间隔排列，周期T的取值范围在440nm～510nm之间。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关。其特征是：所述的金属纳米柱材料的选取为贵金属金(Au)，介质柱的材料选取为二氧化硅(Sio2)。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关。其特征是：金属纳米柱(1)(3)和介质柱(2)(4)的宽度R(沿X方向)以及厚度(沿Y方向)相同，取值范围在150nm～200nm之间。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关。其特征是：金属纳米柱(1)(3)的取值范围在60nm～100nm之间。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元共振的MIMI型微纳全光开关。其特征是：所述的介质基板材料选取折射率n＝1.52的BK-7玻璃基板。
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