CN1468385A - 表面等离子体偏振子带隙结构 - Google Patents

表面等离子体偏振子带隙结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用表面等离子体偏振子带隙(SPPBG)区对表面等离子体偏振子(SSPs)传播进行控制的方法和器件。该SPPBG区是维持SPPs传播的一个或多个界面，在其上SPPs受到其内部分布有电磁场的媒质的介电特性周期性调制。带隙的频率范围由调制周期决定。SPPBG区禁戒具有其带隙频率范围内频率的SPPs传播。通过在SPPGB区中形成透射区域，本发明提供了一种超密集SPP波导。本发明可以通过密集地集成SPP/光线路而实现。此外，本发明还提供了一种用于维持定域场的SPP－驻波的谐振腔。这种定域场可以具有很高的场强。并且可以用于各种传感器。由于SPPs在二维界面上传播，本发明的器件具有光子组件的许多优点，而且仅仅需要约束平面传播即可。这使得本法发明的器件制造起来很简单。

Description

表面等离子体偏振子带隙结构
技术领域
本发明提供一种用表面等离子体偏振子带隙(SPPBG)区对表面等离子体偏振子(SSPs)传播进行控制的方法和器件。该SPPBG区是维持SPPs传播的一个或多个界面，在其上SPPs受到其内部分布有电磁场的媒质的介电特性周期性调制。带隙的频率范围由调制周期决定。SPPBG区禁戒具有其带隙频率范围内频率的SPPs传播。
通过在SPPGB区中形成透射区域，本发明提供了一种超密集的SPP波导。本发明可以通过密集地集成SPP/光线路而实现。此外，本发明还提供了一种用于维持定域场的SPP驻波的谐振腔。这种定域场可以具有很高的场强。并且可以用于各种传感器。
由于SPPs在二维界面上传播，本发明的器件具有光子组件的许多优点，而且仅仅需要约束平面传播即可。这使得本法发明的器件制造起来很简单。
背景技术
表面等离子体偏振子是沿着导体与电介质材料之间界面传播的准二维电磁波(EM)模式。图1表示了沿金属2与空气5之间界面4传播的SPP。如图1所示，在垂直于界面4的方向上EM场的振幅6在相邻媒质内呈指数衰减。
通常，SPPs是这样激发的，通过从激光束电磁辐射传播中选配SPP的传播常数β进而使EM场可以耦合成SPPs。图1示意性地表示按照Kretchmann方式在玻璃基板3上沉积的金属薄膜2的玻璃-金属界面1或空气-金属界面4处激发的SPP。调节经由玻璃基板3背面上的玻璃棱镜7而入射的光入射角θ，以满足相位匹配条件：β＝(2π/λ)n sinθ，其中n为玻璃的折射率。实现相位匹配条件取决于耦合出等离子体振子的界面，但是由于金属薄膜3通常比场的振幅6所延伸的区域要薄得多，所以可以认为SPP开始在电介质层3和/或5中传播，而后在金属-电介质界面2和/或4传播。
已知的几种实现这种耦合的方法和器件有：如图1所述的或美国专利US.4565422中所描述的棱镜耦合器，和诸如美国专利US4567147和US.4765705中所述的光栅等等。采用相似的器件可以将传播中的SPPs再转换回光子。
Smolyaninov等人(Phys.Rev.B56，1997，1601)提出了可以产生SPP传播的几种简单的光学元件。根据惠更斯-菲涅尔原理，这些元件使SPPs在表面缺陷处发生衍射和折射。
大量文章披露了表面等离子体偏振子带结构的存在，如Scherer等人(Journal of Lightwave Technology 17，1999，1928)；Smolyaniov等人(Phys.Rev.B59，1999，2454)；和Kitson等人(1996)(Phys.Rev.Lett.77，1996，2670)。这种带结构来源于金属-电介质界面所产生的周期性结构。当被激发的SPP沿着该周期性结构传播时，最终由于“等离子体带隙”效应，SPP传播常数将受到期性地调制。
Kitson等人(1996)已经报告了二维晶体中的等离子体带隙结构。该文描述了用本文图1所绘出的棱镜，在晶体界面上光子向SPPs的耦合，所属的晶体结构是周期性的六方结构。入射激光束的反射光是衡量界面上光子耦合成SPPs的特征，而且该文的图3表示了所得到的耦合区反射率。因此，图3显示：能量在1.91eV-2.00eV区间的光子，难以从光子耦合成由相应等离子体带隙所表示的SPPs。
Kitson等人另一篇文章(J.Appl.Phys.，84，1998，2399)论及到金属反射镜微腔(如有机LEDs)的损耗。该问题出一种避免由于金属反射镜上从微腔模式向SPP模式的无关耦合而导致的损耗。采用晶体反射表面，可以引带隙，它可以禁戒那些能量在该带隙内的SPPs的产生(这种耦合的禁戒，该文作者Kitson等人在本文前面段落所述文章中有详细说明(1996))。对应于微腔模式对带隙进行调谐，可以减小微腔模式的耦合损耗。该文描述可以中具有一维的金属反射镜晶体结构的微腔。
光子带隙(PBG)材料已经用于波引导、光定位、降低弯曲损耗以及强的波长依赖光透射。光子带隙效应依赖于比拟与波长的周期性散射体结构所导致的光周期性散射，这类似于电子在原子晶格中的效应，即光子/电子能量分布在由传播禁戒的带隙所分裂开的能带内。PBG-机制结构实现了三维周期性结构，这通常难以制作且设计方面的灵活都很小。而且，PBG机制的波导在超出平面之外的地方光学损耗很高。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种导引和定位电磁辐射的方法和器件。
本发明的另一个目的是为了导引电磁辐射提供一种基本上二维的结构。
本发明的进一步的目的是提供密集而损耗低的集成光路，它包括无源和有源组件，如波导，弯头，分束器，耦合器，滤光器，多路复用器，解复用器，干涉仪，谐振器，传感器，可调谐滤光器，放大器，开关，传感器等等。
本发明的进一步的目的是提供密集而损耗低的集成光路，由于其尺寸更小，能够比已知光路更快的处理信号。
本发明进一步的目的是提供密集而损耗低的集成光路，其制造简单而廉价。
本发明进一步的目的是提供用于传感器用途的定域高强度电磁场。
本发明通过提供控制表面等离子体偏振子(SPPs)在表面等离子体偏振子带隙结构(SPPBG)中的传播的方法和器件来实现这些目的。通过在SPPGB结构中留有无周期性调制的通道，本发明提供了处于SPPBG结构中的超小型波导，即能量/频率取决于SPPs的传导，它能形成密集集成的SPP/光路。
因此，本发明基本原理是通过导引和/或定位相应的SPP场来处理二维系统中的光信号。在采用光栅或棱镜耦合器的导体薄膜的情况下，光信号能够以接近于100％的耦合度耦合成在界面传播的EM场(SPPs)。SPPs的波长与光子的波长十分相似，而且利用带隙效应可以实现相同的信号处理机会。
EM场沿着导体-电介质界面传播受到约束是SPPs的重要特性，因此一个SPP组件可以被考虑成一个二维系统。但是，EM场延伸到二维界面上和/或下的电介质材料内，同样也是SPPs的重要特性，，因此SPP的传播取决于电介质材料的特性(如果金属层薄的话，该电磁场将延伸到该薄层两侧的电介质材料中)。于是，与散射有关的特性方面，光子和SPPs是不相同的。与SPPs相互作用的界面散射中心可以导致散射的EM场传播到界面之外成为光子，或作为SPP留在界面处。如果SPPs束的散射导致EM场耦合到一个不直接耦合回到SPPs束的模式中，将引起严重的损耗。
器件可以包括在维持SPP的导体-电介质界面附近的其他导体-电介质界面。SPP可以在其他界面耦合成SPP模式，只要该界面更为靠近SPP的EM场分布区。如果导体材料很薄，如金属薄膜，则它本身可以提供两个维持SPP模式的界面。在导电材料薄层的一个界面上耦合成SPP模式的SPP，也可以在另一界面上耦合成SPP模式。模式的这种复合将产生在导体-电介质的两个界面上传播或约束于其上的两个复合模式，如图1B所示。对称模式8在导体层2中及其电介质层3和5内都具有高EM场振幅，而非对称模式9在导体层2中具有低EM场振幅而在电介质层3和5中具有高振幅。对称模式8与图1A所示的在一个界面传播的寻常SSP模式6相似。但是，非对称模式9则代表所谓长列表面等离子体偏振子(LR-SPP)(见S.Glasberg，Appl.Phys.Lett.70，1210(1997)，以及其中的参考文献)。LR-SPPs由于其在导体2中的振幅小，所以可以低损耗地传播。在本发明的的术语中，SPP可能是在一个界面传播的SPP，或者沿薄导体层的两个界面传播的LR-SPP。
但是，如根据本发明优选实施例所进行的实验表明，尽管有SPPs散射损耗，仍然可以用SPPBG结构在一个大于波长或更长的距离上导引SPPs而使其定位，用于LR-SPPs的结构尤其如此。
根据第一个方面，本发明提供一种导引具有第一频率的表面等离子体偏振子(SPPs)的器件，所述的波导器件包括：
第一媒质，具有与第二媒质间的界面，所述界面适于导引表面等离子体偏振子且至少基本为一平面，以及
多个散射中心，每个散射中心都具有这样一个区域，该区在至少基本平行于第一界面平面中的横截面，是一个其复介电常数不同于所述平面中周围区域复介电常数的区域，
其中，所述散射中心在第一界面上的基本垂直的投影在第一界面上限定了一个或多个非透射部分和一或多个透射部分，这是通过在所述非透射部分形成基本呈周期性的投影散射中心预定图案、而在一个或多个透射部分上不形成预定图案来实现的，从而使该非透射部分SPPBG(表面等离子体偏振子带隙)区适于至少禁戒具有第一频率的SPPs的传播，而且
其中，若干个散射中心被定位成这样，在第一界面上它限定至少部分地被一个或多个非透射部分所围绕的至少一个透射部分，
表面等离子体偏振子是一个在两种材料之间界面上作为电荷密度振荡传播的EM波，该界面必须在第一材料与第二材料之间，该第一材料在所述波频率处具有AC导电率，而且这些材料对所述波频率的EM辐射而言都是透明的。这些条件可以表达成频率与材料的复介电常数ε的关系式。
材料的介电特性与所采用的EM场频率密切相关。材料具有复介电常数ε(正或负的实部为Re(ε))的频率范围与许多特性有关，如材料中自由电荷和约束电荷的特征。通常，在给定温度、压力等条件下，每种材料或材料组合物将会有一个该材料复介电常数具有正实部(Re(ε)＞0)的高频率，和一个该材料该材料复介电常数具有负实部(Re(ε)＜0)的低频率。因此，第一和第二频率范围通常仅仅取一端。
于是，该界面适宜在这样的第一材料与第二材料之间，其第一材料具有在第一频率范围实部为负Re(ε1)＜0的第一复介电常数ε1；而第二材料具有在第二频率范围实部为正Re(ε2)＞0的第二复介电常数ε2。第一和第二频率范围都包括第一频率。形成第一界面的两种材料优选地是一个导体材料和一个电介质材料，导体材料是第一媒质，电介质材料是第二媒质材料。
非透射部分是这样的部分，在其中以第一频率传播的SPPs将受到至少基本上禁戒SPP传播的SPPBG的影响。SPPBG禁戒SPPs在其中传播的频率范围取决于投影散射中心的至少部分周期性图案的空间频率。而透射部分是这样的部分，在其中以第一频率传播的SPPs能够自由地传播。但是，透射部分不必使所有频率的SPPs都能传播，因为该透射部分也可以建立一个SPPBG，该SPPBG包括与第一频率相同的频率。
因此，透射部分具有与非透射部分不同的投影散射中心图案，或者是至少基本非周期性的投影散射中心图案。所以透射部分还可以包括一个其空间频率不同于前述预定图案的至少部分周期性的投影散射中心图案。于是，第一界面的透射部分可以包括类似于该预定图案但有差别的投影散射中心图案，如由于一或多个不规则，缺失或移位的散射中心而导致的图案差异，这样的第一界面的透射部分没有建立SPPBG。
频率在预定频率范围内的SPP不能在第一界面的非透射部分传播，但它们可以在透射部分传播。于是，频率在具有预定频率范围内并在透射部分传播的SPPs，在入射到透射部分与非透射部分之间的界面上时，至少部分地被反射。
为了提供SPPBG效应，散射中心应当形成用于传播SPP的周期性图案，因此该图案在基本平行于SPPs传播于其上的第一媒质第一界面的方向延伸。不应当理解为，所有的散射中心必须位于同一平面上。实际上，散射中心可以位于距第一界面不同的距离处，从而分散地分布到整个SPPBG效应的区域。但是，为了使散射中心在第一界面上引起SPP的散射传播，SPP在散射中心处应当具有非零的场振幅。波长在可见光范围内的SPP场振幅的有效肤深通常小于1000纳米(1纳米＝10-9m＝1nm)。
大多数散射中心适宜定位于一个至少基本平面的区域内，该平面区域至少基本平行于第一界面地延伸。优选地，该至少基本平面的区域位于距第一界面小于1000nm的距离内。可取地，该至少基本平面的区域位于距第一界面小于500nm，如小于100nm或小于50或10nm的距离内。
该至少基本平面的区域包括至少大多数散射中心，例如包括全部散射中心，这样的区域可以位于由器件具体材料结构而定的不同媒质中。在优选的实施例中，该至少基本平面的区域的至少一部分包括在第一媒质中。在另一优选实施例中，该至少基本平面的区域的至少一部分包括在第二媒质中。
第二媒质优选地包括一种或多种中选自下列一组的材料：SiO2，空气，聚合物，Al2O3(蓝宝石)，石英，和石灰玻璃。而第一媒质优选地包括一种或多种选自下列一组的材料：金，铜，银，铝，铬，钛，铂，镍，锗，硅，钯，以及超导体。在一个优选实施例中，第一媒质是覆盖在第二媒质上的导电薄膜。
另外，至少基本平面的区域包括在与第二媒质相邻的第三媒质中。由于器件的材料结构通常包括多层沉积的材料层，故该器件可以进一步包括一个或多个位于第二和第三媒质之间的材料层。
为了维持LR-SPPs，第一媒质适宜是覆盖于第二媒质上的薄导电薄膜，以使得薄膜任何一侧上SPP模式之间的耦合成为可能。优选地，该薄膜的厚度小于100nm。但是，薄膜越薄，膜中LR-SPPs的衰减越小。因此，薄膜优选地厚度是小于50nm，如小于25nm、10nm、5nm、2nm、1nm、0.5nm、0.25nm或0.1nm。而且，为了优化LR-SPPs的传播，其间夹有导电薄膜的电介质材料之间适宜具有相似的介电特性，如相同的介电特性。
在一个优选实施例中，第二媒质包括一种增益媒质，用于为第一界面上的SPP模式耦合能量。该增益媒质可以是电或光泵浦的。
非透射部分通过限制第一界面上可传播SPP的区域，可以用于控制SPP的透射。在本申请中，“导引”一词表示用非透射部分或等同物对SPP的传播进行的任何控制。因此，器件是一个SPP波导，用于通过控制SPP从第一界面上一点到另一点的传播而导引SPP。SPP波导是透射部分，它由非透射部分部分地围绕着，以形成非透射部分之间的通道或波导。另外，导引SPPs的器件可以是使入射SPPs弯曲的反射镜或光栅，或使SPPs根据其频率而弯曲/透过的滤波器。
被非透射部分所围绕并通过建立SPP-驻波来定位EM场的透射部分，可以形成一个SPP谐振腔。一部分围绕谐振腔的非透射部分的预定图案可以是失谐的，以便具有小的透过率，从而提供一个该谐振腔的的输出耦合器。
该器件进一步适宜包括一或多个以受控的方式将光子耦合成SPPs的输入耦合结构，和/或一个或多个以受控方式将SPPs耦合成光子的输出耦合结构。
至此，已经提供了一种能够用透射部分和非透射部分来导引SPP的器件，它可以构成处理SPPs的组件和线路。
因此，在第二方面，本发明将提供一种包含SPP接收部分的SPP组件，该接收部分包括用于接收一或多个SPPs的输入耦合结构，和根据本发明第一方面用于弯曲一或多个被接收SPPs中至少一部分的SPP波导。
SPP组件适宜进一步包括至少一个具有可控复折射率的有源区，以对导引的SPPs进行相位和/或振幅调制，该SPP组件进一步包括控制该有源区复折射率的机构。该有源区适宜位于有SPPS的EM场分布的电介质材料中。而且，该SPP组件的SPP波导可以形成包含至少一个有源区的干涉仪。
在另一实施例中，该SPP组件适宜进一步包括一作为SPPBG区的非透射部分，该区适于至少基本禁戒具有不同于第一频率之频率的SPPs传播，为的是形成SPPs的波长滤波器。
类似地，在第三方面，本发明提供了一种SPP光路，包括：
将光子耦合成SPPs的输入结构，
将SPPs耦合成光子的至少一个输出结构，
一个或多个基于权利要求20-23的SPP组件，以及
两个或多个基于权利要求2的SPPBG波导，用于从输入结构向一或多个SPP组件之一导引SPPs，并用于从一或多个SPP组件之一向至少一个输出结构导引SPPs。
根据第四方面，本发明提供了一种控制表面等离子体偏振子(SPPs)在基本为平面的第一与第二媒质间界面上传播的方法，所述的方法包括以下步骤：
提供第一媒质，该第一媒质包括具有第一复介电常数ε1(负实部Re(ε1)＜0)第一材料层，并具有邻接于界面的第一表面，
提供第二媒质，该第二媒质在邻接界面部分的至少某些区域具有在第二频率范围内的第二复介电常数ε2(负实部Re(ε2)＞0)，
在该界面上传播SPP，所述的SPP具有包含在第一和第二频率范围内的第一频率，
限定一个包含该界面和周围区域的传播层，其中当SPP在界面部分逐点传播时，在界面上所述每个点会经受不小于该1％电磁场强度的SPP电磁场，以及
通过在界面上提供一或多个作为SPPBG(表面等离子体带隙)区的非透射部分而将SPP约束在界面透射部分，该非透射部分至少基本不许具有含第一频率的第三频率范围内频率的SPPs进入，所述的SPPBF是由传播层中的散射中心限定的，而散射中心是当至少基本呈周期性的预定图案至少基本垂直地投影在第一界面上时而形成的，作为至少基本平行于该界面平面的一个横截面区的每个散射中心，是一个具有一或多个不同于所述平面中周围区域的复介电常数的区域。
频率在第三频率范围内的SPPs可以仅仅在透射部分透射。电磁波的频率通常是个以给定带宽和中心频率为频率分布特性的频率范围，电磁波的频率通常指中心频率。
导引等离子体波所必须的SPPBG结构能够通过形成散射中心的二维点阵来得到。散射中心通常是载有SPP的媒质复介电常数的周期性变化，或者是界面上局部几何改变。由于SPP是一种电磁波，所以散射中心无需形成在界面上或与之接触。复介电常数的周期性改变会为SPP提供散射中心，只要电磁场的幅度在改变处不为零即可，因此可以方便地分布在SPP电磁场中的任何位置。
SPP波被约束在界面上移动，但是它的场可以如图1所示，不局限在该界面上。因此，SPP电磁场的幅度在垂直于该界面的方向上延伸到相邻媒质中。该延伸范围取决于SPP的模式和给定方向上材料的介电特性。这意味着，在界面周围存在着一个区域，SPP在其上传播，该SPP的电磁场在其内不为零。已知该界面适宜为平面，这个非零电磁场的区域将建立起一个变厚度的传播层。
在非零SPP场幅度的点，复介电常数的任何改变都将导致某种程度的散射。于是，为了使传播中的SSP遇到该散射中心，优选地，散射中心存在于传播层中，它是复介电常数在至少基本平行于传播SPP的第一界面的平面内随位置的变化。每个散射中心可以用一个平面限定，而且与之相应的平面位于传播层的任何垂直位置处。一个散射中心对应的平面具体到单个散射中心，且当描述图案的大小时用的是不同的平面。
从传播层外面看去，该预定图案可以垂直地投影到界面上，且由此形成预定图案影对SPPs有影响的非透射部分，和无影响的透射部分。对于在界面上传播、且频率在预定图案的SPPBG内的SPP而言，第二界面的非透射部分是禁戒区，因此该SPP将被限定到透射部分，当从该部分向非透射部分传播时会受到至少基本上全反射。
但是，散射中心图案所致SPPBG效应的强度取决于该散射中心处SPP场的幅度。处于高强度场中的散射中心会引起强的SPPBG效应，而处于低强度场中的散射中心则因其弱的SPPBG效应。散射中心图案所致SPPBG效应的强度还可以由散射中心复介电常数与周围媒质复介电常数的差异决定。
为了得到有效的分布散射中心，这些散射中心适宜包括在传播层内，这个传播层定义为SPP场强大于界面处场强的0.1％的区域，如大于界面处场强的0.5％或大于1％或2％，甚至为了得到更强的SPPBG效应，大于界面处场强的5％或10％或者大于25％或50％。可取的是，散射中心于界面相互接触地定位，或成为界面的几何变形。
在根据本发明第二方面优选的方法中，散射中心是形成在第一和/或第二媒质界面上的结构。
传播SPP的步骤优选地进一步包括在界面透射部分上传播SPP的步骤。而且，优选地进一步包括将SPP约束在界面透射部分的步骤，当SPP从界面透射部分传播到界面的非透射部分中时，界面的非透射部分至少反射一部分SPP并将反射的SPP传播到界面的透射部分中。
由此，界面的第一和非透射部分可以限定一个SPPBG波导或谐振腔，这要根据透射和非透射部分的拓扑结构而定。SPPBG波导通常由一个或多个连接的透射部分构成，它从一处通向另一处并用于传递和/或处理在该处之间传播的光信号。因此，SPPBG波导通常由连接到光子/SPP-耦合器或SPP-组件上的透射部分构成。SPPBG谐振腔通常是一个隔离的透射部分，为维持SPP驻波而封闭起来。SPPBG谐振腔可以由单个偏移构成，如忽略的或不不规则的散射中心。通过不断地将光子耦合到谐振腔内，可以从SPP-驻波的定域场中获得极高的强度。
为了使SPPs在透射部分中传播，传播层的相应部分可以包含散射中心，只要它们不提供SPPBG即可。因此，包含界面透射部分的传播层部分可以包括不同于预定图案的散射中心图案，或者至少基本没有散射中心。
该方法可以用于与光信号有关的方面，方法进一步还可以包括将一个或多个光子耦合到界面上而形成SPP的步骤。
类似地，方法进一步还可以包括将至少部分SPP耦合成一个或多个光子的步骤。
为了实现有关于信号处理的该方法，要对多个电磁波进行控制。因此，该方法进一步还可以包括在界面上传播SPP的步骤，所述的第二SPP具有第二频率。
第二SPP可以在与第一SPP不同的时间产生(分时)和/或第二频率不同于第一频率(分波长)。
如果第二频率不同于第一频率且在第三频率区间之外，则把SPP约束在界面透射部分的步骤还进一步包括在界面的非透射部分之一上传播第二SPP的步骤。由此，第一和第二SPP可以在界面上叠加和/或分离。这个步骤可以用作信号波分复用(WDM)等技术中的波长滤波器。
而且，为了控制第二SPP的传播，可以调节SPPBG的带隙。因而，该方法进一步还包括：
改变第三频率范围以使其包括第二频率，以及
每当第二SPP从界面的透射部分传播到该界面的非透射部分内时，反射界面非透射部分上的至少部分第二SPP，并在界面的透射部分上传播该反射的第二SPP部分。
在一个优选实施例中，SPPBG是受调制的，以便调制第二SPP。传播区可以包括电光材料，由此材料的复介电常数形成预定图案，且因而可以电调节该带隙以用于时分多路复用的场合。
在另一个优选实施例中，可以通过进一步进行以下步骤放大或调制SPPBG：
在第二媒质中设置增益媒质，以把能量耦合到第一界面上的SPP模式中，所述的增益媒质在垂直投影到第一界面上时在该第一界面上限定出透射部分，
电或光泵浦该增益媒质，以及
通过从增益媒质向包含SPP的模式耦合能量放大被导引的SPP。
第五方面，本发明提供了一种用于制造控制SPP(表面等离子体偏振子)传播的器件的第一种方法，该SPP具有第一频率并在至少基本为平面的界面上传播，所述的方法包括以下步骤：
提供具有至少基本为平表面的基板，
在该基板表面的一个或多个部分上，形成预定的至少基本周期性的结构图案，该图案是相对基板表面的凹陷或凸起，以在该基板与置于基板上的第一材料层之间确定一个或多个非透射部分，由此在该第一层中形成与基板表面凹或凸结构相对应的凹或凸结构，该第一材料层在包含第一频率的第一频率范围内具有复介电常数ε1，其负的实部Re(ε1)＜0，该界面是第一材料层的上或下表面，
其中形成结构图案，以在该界面上限定一个或多个没有所述预定图案的透射部分，所述的透射部分至少部分地由一个或多个基板表面的非透射部分所围绕。
优选地，该界面适于维持SPPs的传播，而且界面的一个或多个非透射部分提供了界面上的一个或多个SPPBG(表面等离子体偏振子带隙)区。
为了形成SPP波导或谐振腔，透射部分构成界面的区域，而周围至少部分的非透射部分将SPPs约束在该区域中。在一个优选的实施例中，第一种制造方法包括如下步骤，形成表面图案以在非透射部分中限定一个或多个透射部分通道，由此在界面的非透射部分中建立SPP波导。在另一优选实施例中，第一种制造方法包括，形成结构图案以在界面上限定由非透射部分包围的透射部分，并由此建立SPP谐振腔的步骤。
第六方面，本发明提供了用于制造控制SPP(表面等离子体偏振子)传播的器件的第二方法，该SPP具有第一频率并在至少基本为平面的界面上，所述的方法包括：
提供在第一频率范围内具有复介电常数ε1的第一材料层，其负的实部Re(ε1)＜0，其界面被限定为与第一材料层上或下表面对应的平面，以及
除去第一层的选定区域，或改变第一层选定区域的复介电常数，以便在第一层中形成选定区域的至少基本周期性图案，该选定区域具有与ε1不同的复介电常数，
其中选定区域在第一层与第二媒质之间的界面上限定一个或多个非透射部分和一个或多个透射部分，而且其中所述的透射部分由第一层的该一个或多个非透射部分局部地围绕。
优选地，该界面适于维持SPPs的传播，而界面的一个或多个非透射部分提供了在该界面上一个或多个SPPBG(表面等离子体带隙)区域。
为了形成SPP波导或谐振腔，透射部分建立了界面的一个区域，而周围至少部分的非透射部分将SPPs约束在该区域中。在一个优选的实施例中，第一种制造方法包括如下步骤，形成区域图案以在非透射部分中限定一个或多个透射部分通道，由此在界面的非透射部分中建立SPP波导。在另一优选实施例中，第一种制造方法包括，形成区域图案以在界面上限定由非透射部分包围的透射部分，并由此建立SPP谐振腔的步骤。
第七方面，本发明提供了一种用于制造控制SPP(表面等离子体偏振子)传播的器件的第一种方法，该SPP具有第一频率并在材料层与媒质之间的至少基本为平面的界面上传播，所述的方法包括以下步骤：
提供其一个表面与材料层相邻的基板，该基板在包含第一频率的第二频率范围内具有复介电常数ε2，其正实部Re(ε2)＞0，以及
将该基板上多个区域的复介电常数变成不同于ε2的复介电常数，所述的多个区域这样定位，使得当其至少基本垂直地投影到该界面上时，形成一个或多个至少基本周期性的预定图案，该图案限定了界面的一个或多个非透射部分，
在该基板的表面上提供材料层，所述的材料层在包含第一频率的第一频率范围内具有第一复介电常数ε1，其负的实部Re(ε1)＜0，并且该材料层具有上和下表面，该界面被定义为一个与该材料层的上或下表面对应的平面，
其中一个或多个预定图案在该界面上限定一个或多个没有所述预定图案的透射部分，所述的透射部分至少部分地由一个或多个非透射部分所围绕。
优选地，该界面适于维持SPPs的传播，而界面的一个或多个非透射部分在该界面上提供了一个或多个SPPBG(表面等离子体带隙)区域。
优选地，与材料层之间形成界面的媒质是基板。该基板可以包括不同材料组成的一层或多层。
为了形成SPP波导或谐振腔，透射部分建立了界面的一个区域，而其周围至少部分的非透射部分将SPPs约束在该区域中。在一个优选的实施例中，第一种制造方法包括如下步骤，定位多个区域以在非透射部分中限定一个或多个透射部分通道，由此在界面的非透射部分中建立SPP波导。在另一优选实施例中，第一种制造方法包括，定位多个区域以在界面上限定由非透射部分包围的透射部分，并由此建立SPP谐振腔的步骤。
构成本发明SPPBG区的所有预定图案的共同特征，是用于确定带隙预定频率范围的预定图案空间周期和结构(限定为一个单元的二维点阵结构)。SPPBG的预定频率范围中所包含的频率是在器件材料结构中传播的SPPs的频率。已知一具体的器件，常常可以找到空间频率A与具有预定频率范围内频率的PPs波长λSPP之间的关系。优选地，预定图案的空间频率在2.5nm-25μm区间内，如2.5-250nm或250nm-25μm，优选地在25-250nm或250-700nm区间。而且优选地，该预定频率范围包括与下述区间内λSPP对应的SPP频率，10nm-100μm，如10-1000nm或1-100μm，优选地，100-1000nm或1000-3000nm。
常常要注意的是，预定频率范围包含由光子耦合而得到的SPPs频率，该光子具有预定波长范围内的波长λphoton。λSPP与λphoton之间的关系由器件的材料构成来决定。已知具体器件时，常常可以找到光子波长λphoton与将光子耦合到该器件中所得到的SPP波长λSPP之间的关系。因此，预定频率范围适宜包括耦合到器件中光子波长λphoton所对应的SPP频率，所述的光子具有100-20,000nm间隔内的波长。
可选地，预定频率范围包括与100-380nm区间内波长λphoton相对应的SPP频率，以使预定图案与耦合紫外光子所得到的SPPs进行相互作用。另一方面，预定频率范围包括与380-780nm区间内波长λphoton相对应的SPP频率，以使预定图案与耦合可见光子所得到的SPPs进行相互作用。优选地，预定频率范围包括与780-20,000nm区间内波长λphoton相对应的SPP频率，以使预定图案与耦合红外光子所得到的SPPs进行相互作用。优选地，预定频率范围包括与780-3,000nm区间内(如1,100-3,000nm区间)波长λphoton相对应的SPP频率，目的是使所得到的器件用于光通信产业。
附图说明
本发明的详细内容将结合下列附图以及结合附图描述的一些典型实施例加以说明：
图1是根据现有技术在金属-玻璃界面上耦合并传播SPP的截面图。
图2A-F是表示根据本发明一个器件中周期性图案的散射中心位置分布以及不同类型的截面图。
图3A和3B是表示根据本发明的SPPBG波导器件的一个实施例在不同制作工序的图片，图3A表示在RIE蚀刻前用电子束写入抗蚀剂图案，图3B表示在RIE蚀刻并除去抗蚀剂之后的图案。
图4是具有图3B刻蚀孔的玻璃-空气界面的扫描电镜(SEM)图片。
图5是总电场强度分布的近场图像截面图，该强度分布由谐振激发的SPP和从SPPBG结构散射中心上散射的SPPs所形成。
图6是表示在图3A或B波导中传播的SPP总电场幅度的近场图片。
图7A-D表示了带有线偏移的400nm-周期三角点阵的不同区域的扫描电镜图片，它是形成在45nm厚金膜上的抗蚀剂掩膜层中的。
图8A-D表示灰度级：A-在λ≈B：782，C：792和D：815nm时拍摄的表面轮廓和近场光学图像(10.5×10.5μm2)。具有ГK方向线偏移的周期性结构对应于图7A表示的抗蚀剂结构。表面轮廓图像的深度为90nm。反差，即监测到的该光学图像最大和最小光信号之间的相对差值，为～98％。
图9A-D表示灰度级A：在λ≈B：782，和C：792nm与D一起时拍摄的表面轮廓和近场光学图像(15×15μm2)，D：沿着相应光学图像上标出的线段的截面图。具有ГM方向双线偏移的周期性结构对应于图7B表示的抗蚀剂结构。表面轮廓图像的深度为150nm。该光学图像的反差为～97％。
图10A-D表示灰度级A：在λ≈B：782，和D：815nm与C一起时拍摄的表面轮廓和近场光学图像(13×13μm2)，而其中C：沿着相应光学图像上标出的线段的截面图。具有ГM方向双线偏移的周期性结构对应于图7C表示的抗蚀剂结构，但是ГK方向宽的偏移表示在图7D中。表面轮廓图像的深度为170nm。光学图像的反差为～98％。
图11A-C表示灰度级A：在λ≈B：782，和C：815nm时并取与图10所示图像相同的界面区域拍摄的表面轮廓和近场光学图像(7×17.5μm2)。表面轮廓图像的深度为105nm。光学图像的反差为(a)～95％和(b)～90％。
图12表示具有多层电介质层的LR-SPP结构的截面图。
图13和14表示根据本发明实施例的截面图，其中电介质材料包括用于放大界面上传播的SPPs的增益材料。
图15标是根据本发明实施例的截面图，它可以对界面上传播的SPPs实施相干分布式泵浦。
图16是一个根据本发明SPPBG组件一个实施例的Y型耦合器示意图。
图17是一个根据本发明SPPBG组件一个实施例的3-路分束器示意图。
具体实施方式
如图1所示，SPPs可以被描述成沿着金属-电介质界面传播的电磁波，并在相邻媒质中具有指数衰减的振幅。SPP传播常数β可以从界面附近电磁场的匹配来得到，并由两媒质的相应介电常数ε1和ε2确定：β＝(2π/λ)[ε1ε2/(ε1+ε2)]1/2，其中λ是自由空间的光波长。因而，由于内部衰减(忽略损耗)使SPPs的传播距离受到限制：LSPP＝(2lmβ)-1，其中LSPP是SPP强度降低到其开始值的1/e时所走过的距离。
最简单的形式，本发明是一个形成在SPPBG结构中的SPP波导，其受到的周期性调制与周围区域的周期性调制不同，或者不形成周期性调制。因而，具有SPPBG结构能量/频率带隙中的能量/频率的SPPs将被约束在这些区域中。SPPBG的散射中心，周期性地定位在载有SPP的媒质和/或界面中。散射中心通常是复介电常数的分布，或是载有SPP的媒质和/或界面的局部几何变化。
本发明的一个简单实施例是直的或弯曲的波导，如图3A和3B所示。该波导可以用于导引超密集信号，并用于光学芯片上各种组件或光路的互连。另一个简单的实施例是由几个或单个偏移形成的谐振腔，如不规则或缺少散射中心。这种谐振腔可以维持一种能产生高度定位的高强度场的SPP-驻波，其可用于传感器用途。
与限制SPPs正常传播的衰减相比，从图3A或3B的SPPBG波导中泄漏的辐射损耗通常可以忽略。SPP的传播常数β可以从界面附近电磁场的匹配来得到，并由相邻媒质的相应介电常数ε1和ε2确定：β＝(2π/λ)[ε1ε2/(ε1+ε2)]1/2，其中λ是自由空间中SPP-耦合光的波长。SPPs的传播长度是SPP强度降低到其开始值的1/e之时所走过的距离。因此，由于内部衰减(忽略损耗)使SPPs的传播距离受到限制：LSPP＝(2lmβ)-1。例如在银中，SPP在波长为0.6μm时传播长度达到26μm，且波长10μm时传播长度为500μm。由于脱离界面平面和SPP的不良散射对辐射的衰减，SPP的传播长度进一步降低了。
通过采用平滑轮廓的周期性结构，可以在宽的波长范围内显著降低SPP辐射损耗，即界面平面之外SPP辐射导致的损耗。
SPP电磁场在空气中的指数衰减，在可见光范围内通常小于1μm。这意味着SPP场被约束在金属-电解质界面处。
导引等离子体波所需的SPPBG结构可以有几种制造方法。通过形成散射中心的二维点阵可以得到SPPBG结构。该散射中心通常是复介电常数的局部变化，或者是载有SPP的媒质和/或界面的局部几何变化。
载有SPP的媒质和/或界面的局部几何变化，可以是间距适应于预定波长且有预定填充参数(凹陷/凸起间距与凹陷/凸起直径之比)的小的凹陷或凸起。如2A所示，该变化通常是通过在玻璃基板10上形成小孔20或凸起22而构成的，该玻璃基板基本由厚度一般小于50nm的金属膜12所覆盖。这种结构会在金属膜12上导致小凸起21或24，从而改变界面14和/或16。另外，如图2A所示，首先在基板10上加金属膜12，并在金属膜的抗蚀剂上实现电子束光刻蚀，剥离之后在薄膜12上留下了金属小凸起34。凸起21和24构成散射中心，使SPPs在界面14或16上传播。根据金属薄膜12的厚度，在界面14上传播的SPPs电磁场的幅度延伸到界面16，所以凸起34还可以建立SPPBG，以便于SPPs在界面14上传播。金属膜12上的凸起21，24或34的高度不应当高过电磁场从该金属膜延伸出去的距离(空气中通常为300nm)，否则会使SPPs耦合成光子并由此导致损耗。重要的是应注意，如所述领域技术人员也易于实现的，在基板10与金属膜12之间可以沉积一个或多个金属层，并得到相同的SPPBG效应。一般地，金属膜12上方的空间18可以是空气或任何其他媒质，如附加金属层，玻璃，硅，空气等等。
而且，界面的局部几何变化可以是小的孔或变形区。在图2C中，2D中，散射中心的图案可以通过电子束光刻蚀或激光切除而写入玻璃基板上涂覆的金属中。该图案可以写成金属层12中的孔26或凹痕28。凹痕28紧贴界面16，而且可以在该界面16上很好地建立用于传播SPPs的SPPBG。另外，根据金属薄膜12的厚度，在界面14上传播的SPPs电磁场的幅度延伸到界面16，所以散射中心28也可以建立用于在界面14上传播SPPs的SPPBG。再者，在有图案的金属层上可以沉积一个或多个金属层。周期改变的其他例子表示在图2B的右侧一段。该变化是通过在复介电常数不同的两种材料10和11之间界面上提供周期性变化而建立的。从SPP在界面14或16上从左向右传播的角度看，媒质10中不同复介电常数的峰36构成了SPP电磁场的周期性散射中心。
载有SPP的媒质和/或界面的复介电常数局部变化，可以是SPP电磁场幅度范围内的媒质复介电常数调制。于是，散射中心可以在相邻媒质之一中，紧接界面或不紧接界面，如图2D所示。如果基板10是光敏的，如玻璃基板，复介电常数调制30和32可以通过用紫外辐射照射来形成。复介电常数调制也可以通过对金属膜掺杂而形成在金属膜12中(未示出)。如图2D所示，复介电常数调制可以紧邻着界面30，或埋在区域32中，只要该调制是在维持SPPs于界面14或16上传播的SPP电磁场分布范围内即可。
金属膜12，和形成在其中的任何周期性调制，可以通过在该金属膜12的顶部涂覆结构或沉积保护层加以保护，由此至少部分地填充图2A-D中金属膜12上方的空间18。这样可能由于介电特性的变化而引起谐振频率等的微小变化。但是这种保护会大大提高结构的寿命。
在另一类SPPBG结构中，金属层上方的空间18有不同于空气的电介质填充。在图2E和2F所示的这些结构中，金属层是夹在两层电介质材料38和39之间的金属薄膜13。在图2E中，采用适合工作于亚微米级的光刻和蚀刻或剥离，脉冲激光，扫描电镜或类似工艺，通过在该金属膜13上打孔而形成SPPBG结构。在图2E中，通过将上部电介质39的表面调制成SPPBG结构40，而形成SPPBG结构，这类似于光栅耦合器的制作。但是，与光纤耦合其不同，结构40是限定波导和/或其他组件的二维周期性结构。
可以制出散射中心的其他结构和类型，可以用不同材料组成的区域构成散射中心。在形成小规模结构时，现有的半导体/硅处理工艺提供了许多选择和很大的自由度，上述例子不是限制，而是广泛提供了形成散射中心典型方法的汇总。
本发明的一个实施例是根据图2A中散射中心21所表示的本发明方法构成的。该实施例利用已知的硅工艺得到，并由用光刻或刻蚀在玻璃基板形成图案，并金属涂覆顶表面而构成。本实施例的制作可以包括三个制作步骤：
电子束光刻
等离子体刻蚀
金属蒸发
在下文中，将详细描述本实施例所用的具体步骤。但是，应当理解，每个制作步骤都简单地代表了一个例子，可以统购其他途径实现。
电子束光刻
首先提供玻璃基板，用电子束光刻形成抗蚀剂的图案，以制作亚波长线度的结构。该处理步骤类似于传统的光刻工艺，但不同于用紫外光穿过掩膜照射圆片，代之以用场致辐射扫描电子显微镜(SEM)进行电敏抗蚀剂曝光。
现有的e-束构图法，在玻璃圆片上沉积金属薄层(几个纳米)。该层提供了足以防止在电子束写入过程中基板放电的导电表面，而且不干扰后续的等离子体刻蚀。在清洁样品后，将抗蚀剂薄层旋涂在一片玻璃上。采用的是Nippon Zeon Co.Ltd.公司的正抗蚀剂ZEP520，因为它敏感度高，可以快速对多个元件写入结构，以及它高的抗干刻性能，在刻蚀掩膜时可以直接使用抗蚀剂薄层。用ZED N50显影剂(乙酸正戊酯)显影该抗蚀剂，之后清洁该样品并用ZMD-B漂洗剂(89％MIBK/11％IPA)清除残余显影剂。
用100nm厚的ZEP520和为防止电子后散射效应(近似效应)采用适量(10kV)加速电压，在40μm×40μm的区域上制作直径小于50nm、规则间距(空间频率)小于150nm的孔。图3A表示了写入抗蚀剂中带有孔的基板图片。该图片是通过光学显微镜拍摄的，而且图案区域为130μm2。对于本文讨论的SPPBG结构而言，150nm直径孔的间距或空间频率为400nm的三角阵列可以用100nm的抗蚀剂制作。
等离子体刻蚀
一旦当形成了抗蚀剂薄层中的小孔，即将样品放入活性离子刻蚀机(RIE)中。在控制氟里昂(CHF2)流入腔室的气流的同时，用泵保持所需的压力。该腔室相对两侧的两个板作为RF天线产生等离子体。离子化的F原子非常活跃，并与SiO2反应(与抗蚀剂的反应要差一些)。可是速率在10nm/分钟的量级。通常，孔深是40-80nm。
氟里昂等离子体刻蚀之后，从腔室中取出样品，并用丙酮、甲醇和水漂洗清洁样品。用仅腐蚀有机材料(如手指上的油脂)而不腐蚀玻璃的的氧等离子体刻蚀除去各种残留物。图3B表示了清洁的有图案玻璃基板细节的图片，它是经过等离子体刻蚀和抗蚀剂除去之后图3A基板。
金属蒸发
已经实验发现，50nm厚的银层对实现有效光子与等离子体耦合是优选的。为了更好地保持样品的清洁，采用的是单层金属，E-电子蒸发器。
首先，为了在玻璃与银之间获得好的附着性，沉积一层非常薄的Ti层。随后，正读所需量的银。图4表示了样品小局部的SEM图片。在该图片中，孔覆盖了整个表面，且很浅(～50nm)。
为了研究本发明的SPPBG波导，通过近场成像检查实施例中制作的谐振激发的SPP强度分布。图5示意性地表示了谐振激发的SPP6产生的总电磁场强度分布的近场图像，该SPP6沿着沉积在玻璃基板78表面上的金属膜72构成的空气-金属界面74传播。该总电场强度分布还包括SPPBG结构的散射中心21上所散射的SPPs成分的分布9。
光纤的尖端8可以被认为是电场强度的定位探测器。如果散射到平面外的SPP足够小(用散射到散射中心21外的辐射9表示)，所得的信号主要代表总的SPP强度80。这种情况可以通过测量在薄膜-空气界面74处以几个微米的尖端-界面距离监测到的信号来确认。当纤维的尖端接近界面的定位场时，定位场可以耦合成纤维中的模式，在作为定位场探针份纤维中产生光。
在图5中空间频率为400nm的PBG结构(玻璃与覆盖于其上的50nm厚银层制成的)中传播的SPP其近场图像已经用可调谐Ti：蓝宝石激光器实现了，并表示在图6中。调节792nm波长激光束的入射角θ，以谐振激发SPP。用与薄膜-空气界面74接触的光纤探针检测的信号，比用该光纤探针离开该界面几个微米出检测到的信号大10倍以上。这表明总SPP场强80是光信号的主要部分，意味着图6所示近场光学图像代表PBG结构中的总SPP强度分布。
图6表示了15×15μm2大小的近场光学图像的一种伪灰度级表(“白”对应于最强信号，“黑”对应于最小信号)。根据图5在792nm谐振激发SPP，并用无涂层的光纤探针沿着纳米结构的50nm厚银膜表面扫描得到图像。黑线表示周期为400nm的结构。这个图像清楚地表示了以对应于PBG结构带隙的波长所激发的SPP的SPPBG波导效应，其中心应当在两倍PBG周期的波长附近。进一步优选的结构参数(膜厚度，表面轮廓深度，填充比)可以更为符合所看到效应。
实验验证
在本说明书中，我们直接观察SPPBG效应(用近场光学显微镜)和沿SPPBG结构中的线偏移传播的SPP。在下文中，我们采用周期性分布于界面的散射中心构成的区域内的SPP弹性散射，以使得在这些区域内某些波长区的SPP传播是禁戒的。
实验的设备由单机的扫描近场光学显微镜(SNOM)组成，它用于采集由无涂层光纤尖端散射成光纤模式的辐射，而且采用普通Kretschmann配置(图1)下的SPP激发方式。沿着45nm厚的金膜激发SPP，该膜已经热蒸发到玻璃基板上并且其表面覆盖有周期为400nm宽度～200nm高度～45nm的金散射中心三角点阵区域。该纳米图案通过电子束光刻该金膜上的抗蚀剂层而制得，蒸发第二层金膜并剥离。制得的结构包括点阵既约布里渊区[1]的具有不同宽度和两个主取向的线偏移(即ГK(图8A和8D)和ГM(图8B和8C))。Ti：蓝宝石激光器发出的p-偏振光束(λ＝780nm，P～50mW)弱聚焦在油浸于玻璃棱镜基座上的样品上(焦距长度≈500nm，光斑尺寸～300μm)。SPP激发被认为是相位匹配条件所确定的θ角处出现反射光功率的角度函数关系中的最小值的情况，该条件是：β≈(2π/λ)nsinθ，其中n为棱镜的折射率[1]。当为优化800nm的SPP激发而调节入射角时，该种结构可以在780-820nm区有足够大的SPP激发。在空气-金界面的该区域上求得的SPP特征如下：ε1＝1，ε2≈-23+1.8i，λSPP＝2π/Re(β)≈0.98λ，LSPP≈35μm[1]。在所用的配置中，SPP的传播长度进一步缩短，原因是辐射衰减(基板中的谐振再辐射)和界面平面外的SPP非弹性散射。SPP激发呈现很强的谐振性能，而且如果入射角在谐振区外或光纤尖端从样品界面上移开～1μm的话，光纤中的平均光信号将要小十多倍。这意味着，用剪力反馈保持的尖端-界面距离所检测的信号，主要涉及的是沿着薄膜-空气界面的总SPP场强分布(没有场的分量散射出界面平面)[3]。最后应当注意，图7-11的所有图像都是按照垂直向上地传播所激发的SPP的方式取向的。
在用λ≈782nm拍摄的近场光学图像中(图8B)，已经观察到：近似沿ГK方向传播的激发SPP被周期性结构(图8A)显著地反射。从结构的前方观察到很亮的～2μm内芯的干涉条纹并伴有实际为0的信号，这表明该结构对入射的SPP有高反射和强衰减。高反射和强衰减迅速地降低该波长光的增大，而且结构内外的SPP强度分布差异实际上在λ≈815nm(图8D)消失。按我们的观点，这样的重要波长与结构内SPP强度和其反射率的函数关系是对SPPBG效应的有力证明。
已知SPPBG效应的现象，可以设想以相应波长观察沿着SPPBG结构的线偏移被导引的SPP。如已经知道的，我们发现没有关于沿着ГK取向(图8B)线偏移导引SPP的证据，该取向是通过除去六边形群组的一个链而得到的(图7A)。这看起来很奇怪，但应当记住的一点是，没有多少关于2D(二维)SPPBG结构的理论，可能因为即使是个别偏移散射SPP的情况，都需要用模型详细地阐述[5]。我们发现，即使仅在～5μm的短距离上，宽度近似相同的ГM取向的线偏移(除去了三排散射中心)也导引SPP(图9)。注意，SPPBG结构充分地反射该波长的入射SPP，但是很少反射792nm波长的。所以可推论，SPPBG效应也存在于带隙中心接近782nm时ГM取向的情况。表面轮廓和在该结构内～4μm处截取的光学截面[图9D]表明，SPPBG波导模式被很好地约束在波导内，其宽度仅为≈1.39μm(图7B)。同时，相邻的波导(有两排除去的散射中心且宽度为≈1.04μm)即使在很短的距离上也不维持所导引的模式。可见，后一个波导的宽度地与基模的截至值，但是前者的宽度则大于该值。这可以使模式传播对波导的不规则性很敏感，并且说明观察到的该模式传播距离短(图9B)。
上述推测由线偏移沿着ГM方向的ГK取向SPPBG结构予以支持(图10)。在也有三排散射中心被除去的偏移中，可以看到弱模式(782nm)的传播(图7C)。表面轮廓和在该结构内～4μm处截取的光学截面[图10D]清楚地显示出，窄SPPBG波导的(基)模式和宽通道的的复合模式(可能是二次模)的强度分布。而且，当波长超过815nm(参考图5B和5C)时，线偏移中的导引SPP和SPPBG结构反射的SPP都消失了。复合模式在宽通道中的传播超过18μm而没有明显的损耗(图11)表明，SPPBG结构中的线偏移完全可以导引SPP场。
总之，采用近场显微镜并以782nm波长Kretschmann方式激发SPP，我们已经直接观察到400nm周期性三角点阵结构(有ГK和ГM取向)对入射SPP的强烈反射，同时禁戒SPP在这些结构内的传播。我们认为，以更长波长传播的SPP其反射和禁戒的明显变劣，构成了该结构中SPPBG效应的有力证据。我们还直接证明，SPP沿着SPPBG结构中的线偏移传播。已经观察到SPP场在SPPBG的3.2μm宽和18μm长的通道中不受阻碍地传播。结构参数的进一步筛选和优选，可以大大改进观察到的效果并解释与那些传统的二维PBG结构类似的基于SPPBG的组件。最后，把辐射(可能来自于光纤)耦合成SPP的特殊衍射光栅的使用，会在光子学领域中打开一条实现SPPBG集成光路直接道路。
上述提供实验证明的是本发明初步的器件。现在进一步地分析根据本发明的器件，而且设想不久将有更好的实验结果作为原理的证据。
如前所述，由于SPP模式的辐射泄露和各种类型的衰减，导致SPPs出现损耗，所有这些都限制了SPPs的常规传播尤其限制了其波长分辨率。
为了减小SPPs损耗并由此优化SPPBG波导中的SPP传播长度和波长分辨率，下文提出了各种可以减小和/或补偿SPP损耗的结构。这对滤光目的尤其重要，衰减会限制波长率滤波器的锐度。
在前述的结构中，金属层一侧与玻璃相连，另一侧接触空气。通常，与金属层相接的材料折射率较高，更多的SPP波将被限制在金属层内且损耗会相应地增大。
图12表示了另一个SPPBG结构，它具有位于金属薄层(通常2-20nm)13两侧的折射率相似(不必相同)的电介质材料84和85。场会透入到两侧的电介质中去，而通过减小金属层的厚度，会有更小部分的SPP场重叠在该金属层13上，从而减少损耗。得到的SPP模式作为长列表面等离子体偏振子(LR-SPP)在C-H Liao等人“任意多层结构LR-SPPs谐振特性”(Jpn.J.Appl.Phys.38，5938(1999))一文中披露。用这种结构可以改进传播长度上振幅的量级(降低损耗)。
图12表示了一种结构，其中在基板10上有金属薄膜13组成的LR-SPPBG结构，该金属薄膜具有混入任意多层电介质结构的上部和下部内的凸块。多层中的电介质可以是旋涂聚合物，SiO2，Si3N4，水，折射率匹配液，空气等等，可以参见J.Appl.Phys.90，852(2001)(F.Pigeon等人)，Opt.Lett.25，844(2000)(R.Charbonneau等人)，Appl.Phys.Lett.70，1210(1997)(S.Glasberg等人)，J.Appl.Phys.81，1011(1997)(T.Sterkenburgh和H.Franke)。在图12所示的结构中，或的SPPBG效应所需的调制可以另外通过在有关的图2A-F中描述的任何一种方法形成。
为了补偿在现有技术或SPPBG结构中传播时SPPs受到的损耗，可以在SPPBG结构中补充增益。两种可能的配置表示在图13A和B中。在图13A中，通常包含诸如有半导体量子阱的活性层的增益媒质42，位于金属薄膜13顶部上的电介质层39之间。在夹有活性层的薄膜13与电极44之间加电源45，可以电偏置该活性层。在薄膜13中传播并具有足够场振幅到达增益媒质42的SPPs将被放大而补偿损耗。
在图13B中，增益媒质42可以是能够光泵浦86的掺铒玻璃等，只要上部电介质层对泵浦波长是透明的即可。在图13A和B提出的结构中，SPPBG波导43在垂直于纸面的方向延伸，增益媒质42和/或泵浦源(图13A中44/45，而图13B中86)可以仅仅安置在波导43的中间区域的一个短部分波导上。
在一种替代结构中，可以通过在整个结构上相干泵浦并连续馈能到SPP模式上来补偿损耗。与定位激发并让SPPs传播离开激励部分不同，SPPs是在其传播时用激发辐射而激励和相干泵浦的。图14表示了金属薄膜12沉积在材料层11上的结构，该材料层11对泵浦辐射86是透明的。
上述给出的降低和补偿SPP传播损耗的例子，在降低和补偿损耗两方面会给器件提供有效增益方面有其优点。而且，该例子可以与所属的各种不同SPPBG结构相组合，如图2A-F所示的。
对许多可以利用SPPBG设计和制作的SPP组件而言，都有控制SPPs传播特性的可能性，其中一些将在下文中结合图15，15和17做出描述。在这些图中，形成SPPBG的特定散射中心仅仅是示意性的，而且可以用各种方法形成。
图15表示了一种基于本发明SPPBG波导和/或谐振腔的可调谐滤波器。电光层46，如GaAs，LiNBO3，LiTaO3，LDP，ADP，夹在具有SPPBG结构的金属薄膜13与连接着电源45的电极44之间。光栅耦合器结构形成在顶部电介质层39的上表面，以用作将输入的宽带光子87耦合成SPPs的输入耦合器56，和用作将SPPs耦合成滤光过的输出光子88的输出耦合器57。输入耦合器56和输出耦合器57与波长选择的SPPBG结构互相连接。电光层46的折射率可以通过施加电压而改变，进而改变SPPBG结构的透射波长。因此，耦合到该结构中的光子波长可以进行电控制，形成可调谐的带通滤波器，如可以用于DWDM。P.J.Kajenski已经提出相应的设计，(“采用长列表面等离子体的可调谐光学滤波器”Opt.Eng.36，1537(1997))，但是没有对金属薄膜平面的SPP传播做任何控制。SPPBG波导46具有的良好导波性能，可以大大提高功能特性。
图16表示了一种由周期性结构51的SPPBG区限定的Y型接头。包含波长λ1和λ2的SPP场向波导区段52传播并在该接头处分束，致使SPP场在区段50和54中传播。分束比由区段52中的SPP场与区段50和54中的模式匹配情况来确定。这种匹配可由有波导区段的宽度和接头的角度来确定。
波长为λ1和λ2的输入SPP可以通过光栅耦合器56将光信号耦合成SPP而产生。得到的SPPs可以在类似于56的光栅耦合器中耦合回光子。于是，两光束λ1和λ2按照限定好的比率被分为两个分量。
设想SPPBG对波长极为敏感，可以表明用于制作各种组件的SPP波导具有这一个特征，所述组件可以是诸如通信系统中所用的波分复用结构中用的。
于是，图16表示的分束器可以用作高精度波长分束器、“超棱镜”，只要输入的SPPs具有不同的波长λ1和λ2即可。通过控制邻接于波导区50和54的周期性结构51的SPPBG，可以调谐将SPPs约束在波导区50的SPPBG，使λ1位于带隙之外。在制作过程中控制周期性结构的周期可以调整SPPBG。另外，SPPBG可以用电光材料进行控制，从而对材料的复介电常数实施电控。
图17表示了一个基于光学组件的SPPBG，一种三路分束器，它具有一个输入金属光栅62用于将输入的光信号60耦合成向着中心SPPBG区59传播的SPP模式，该中心区59(在图中)被表示成插入的变焦放大的部分。SPPBG波导区61接收输入的SPP并按功率分为在波导区63，65和67中传播的三个部分SPPs。每个波导区63，65和67分别将SPPs导引向用于把SPPs耦合成光信号64，68和70的三个输出金属光栅66。在SPPBG结构中经过处理之后，输出的光信号可以用于光透射网络中。
如结合附图16所述的Y型耦合器，可以调谐用于限定每个波导63，65和67的SPPBG区，以将输入的SPP分成三个波长信道。
结合图16和17描述的Y型接头和三路分束器是按波长导引SPP的例子。另一个按波长导引的探讨是滤波器，如弯头或反射器(反射镜，分束器)。在弯头中，具有带隙之外波长的SPPs进入SPPBG区，由于各种衰减效应而被吸收，仅仅具有带隙内波长的SPPs被导引。在反射器中，具有形成反射器的SPPBG区带隙内波长的SPPs被反射，而具有带隙外波长的SPPs将透过该反射器并在反射器的背面一侧上继续传播。反射器可以构成波导内一个周期性结构区域，但是与限定波导的周期性结构的周期不同。因而，反射器的带隙不同于波导的带隙，使具有两个带隙重叠部分波长的SPPs反射，其他SPPs透过该反射镜。
由于SPPBG波导可以简单地由导电薄膜的周期性图案构成，所以可以方便地用同一处理步骤在同一基板上形成波导和组件。这可以使更小的组件比传统光学组件更近于批量制作。更近于批量的特征和更小的波导与组件，可以更小更密集地集成线路。于是，SPP导波系统的实现为信号处理提供了新的可能性。
结合图16和17描述的耦合器，弯头和反射器可以用于光学芯片上的超密集信号导引和互联。严格按波长等离子体的传播可以用于波分复用通信系统(WDM)。在等离子体处理单元之后，长距离的信号透射是通过把等离子体转换成光子来实现的，如通过采用图17所示的光栅。这种转换可以高效率地进行。在WDM系统中常规的100GHz信道分配，允许SPP有几个GHz的线宽度，这个线宽度可以用LR-SPPs实现(例如见Appl.Phys.Lett.70，1210(1997)(Glasberg等人)，或者Opt.Lett.8，377(1983)(J.C.Quail等人))。
用上述组件，还可以形成马赫-策德尔干涉仪或其他类型的干涉仪，这些干涉仪可用于SPPs的发送，以利用干涉效应直接处理信号。对时分复用(TDM)通信系统和传感器用途而言，重要的是，干涉仪上的SPP路径长度能够利用电光材料和非线性效应加以控制。
在周期性SPPBG结构中除去、改变、移动或引入散射中心，可以形成二维晶体偏移。这种偏移可以产生SPPBG谐振腔，或者将偏移性能局限于子亚波长范围。SPP局限在与等离子态晶体的偏移性能对应，可以加强局部场强高达几个量级。理论上讲，把光连续耦合到SPPBG偏移状态中，加强场强可以达到104。这可以大大提高SPP传感器的灵敏度。通常，这种强场可以用于超敏感度的场合，如单个分子(荧光)探测器，或材料量常常相当有限的生物医学系统。由于SPPs的属性，这种传感器提供了一个进入其的峰值位于界面(如传感器的界面)高强度区的便利途径。
本发明还在SPPBG结构中提供了SPPs的有源控制。结合图15描述的可调谐滤波器，是一个具有外有源控制的器件，可以对该滤波器实施电控。许多带有有源控制的其它实施例下文将涉及到。
由于SPPs的传播速率取决于金属层上的电介质层的折射率，可以通过电或光调制电介质层的折射率可以方便地产生相移。这扩展了SPPBG结构的用途，是干涉仪可以用作光栅，取样，开关，再生，等等。
在另一个实施例中，金属薄层的至少一部分位于一个压电基板上，从而使SPPBG结构的特性和尺寸受到电控制。类似地，将金属层沉积在热膨胀系数大的基板上，则可以同构控制温度来控制SPPBG结构的特性与尺寸，尽管这过程比较慢。
与前述实施例所示意的不同，SPPBG波导可以用作检测材料特性、电流、压力和温度的传感器。SPPs已经被用于分析化学物质。本发明提供的SPP控制，被认为是大大改善了这些应用。
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Claims (48)

1.一种用于导引具有第一频率的表面等离子体偏振子(SPP)的器件，所述的波导器件包括：
第一媒质，它与一种第二媒质之间具有第一界面，所述界面适于导引表面等离子体偏振子且至少基本为一平面，以及
多个散射中心，每个散射中心都是这样一个区域，即该区域在至少基本平行于第一界面的一个平面内的横截面是一个具有不同于所述平面中的周围区域的复介电常数的复介电常数的一个区域，
其中，所述散射中心在第一界面上的基本垂直的投影在第一界面上限定了一个或多个非透射部分和一或多个透射部分，这是通过在所述非透射部分上形成预定的且基本上周期性的投影散射中心图案、从而使该非透射部分SPPBG(表面等离子体偏振子带隙)区适于至少基本禁戒阻止具有第一频率的SPPs的传播，而在一个或多个透射部分上不形成该预定图案，而得到实现的，而且
其中，该若干个散射中心被定位成这样，即在该第一界面上限定出至少部分地被一个或多个非透射部分所围绕的至少一个透射部分。
2.根据权利要求1的器件，其中至少一个透射部分构成了由一个或多个非透射部分围绕的SPP谐振腔。
3.根据权利要求1的器件，其中在第一界面上，至少一个透射部分构成了由一个或多个非透射部分围绕的SPP谐振腔，且该谐振腔适于维持SPP-驻波。
4.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的第一媒质在第一频率范围内具有第一复介电常数ε，其负实部Re(ε1)＜0，该器件进一步包括与第一媒质的第一界面相邻的第二媒质，该第二媒质在第二频率范围内具有第二复介电常数，其正实部Re(ε2)＞0，该第一和第二频率范围都包含第一频率。
5.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的大多数散射中心位于第一媒质中并至少基本平行于该第一界面的一个区域中。
6.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的大多数散射中心位于第二媒质中并至少基本平行于该第一界面的一个区域中。
7.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的大多数散射中心位于第一界面上。
8.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的大多数散射中心位于与第二媒质相邻的第三媒质中并至少基本平行于该第一界面。
9.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的第二媒质包括选自下列一组的一个或多个电介质材料：SiO2，空气，聚合物，旋涂聚合物，Al2O3(蓝宝石)，石英，石灰玻璃，Si3N4，水，折射率匹配液。
10.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的第一媒质包括选自下列一组的一个或多个材料：Au，Cu，Ag，Al，Cr，Ti，Pt，Ni，Ge，Si，Pd，超导体。
11.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的第一媒质包括至于第二媒质上的导体薄膜。
12.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的第二媒质包括用于向第一界面上维持的SPP模式耦合能量的增益媒质，所述的增益媒质适于电或光泵浦。
13.根据前面任何一个权利要求的器件，其中为了泵浦的目的，第二媒质对波长为λ的电磁辐射而言至少基本透明，以照射第一媒质。
14.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的至少基本周期性图案的周期在2.5nm-25μm间隔内，如2.5-250nm或250nm-25μm，优选地25-250nm或250-700nm。
15.根据前面任何一个权利要求的器件，其中通过调节该至少基本周期性图案的周期，使得SPPBG区域至少基本禁戒SPPs的传播，该SPPs的波长在对应于SPP波长间隔的频率范围内，10nm-100μm，如10-1000nm或1-100μm，优选地100-1000nm或1000-3000nm。
16.根据前面任何一个权利要求的器件，其中定位多个散射中心，使得在第一界面的一个或多个透射部分中没有散射中心的投影。
17.根据前面任何一个权利要求的器件，其中定位多个散射中心，使得该散射中心投影在第一界面的一个或多个透射部分中，以形成不同于非透射部分预定图案的图案。
18.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的该器件进一步包括一个或多个输入耦合结构，以便以受控的方式把光子耦合成SPPs。
19.根据前面任何一个权利要求的器件，其中的该器件进一步包括一个或多个输出耦合结构，以便以受控的方式把SPPs耦合成光子。
20.一种SPP组件，包括一SPP接收部分，该接收部分含有输入耦合结构，和一个或多个权利要求2所述SPP波导。
21.根据权利要求20的SPP组件，进一步包括：至少一个具有可控复折射率的有源区，以在被导引的SPPs中形成相位和/或振幅调制，该SPP组件进一步包括控制有源区复折射率的机构。
22.根据权利要求20的SPP组件，其中的一个或多个SPP波导器件构成含有至少一个有源区的干涉仪。
23.根据权利要求20的SPP组件，进一步包括作为SPPBG区的非透射部分，它适于至少基本禁戒掉其频率不同于第一频率的SPPs的传播，而且该非透射部分构成一个波长滤波器。
24.一种用于处理SPP信号的SPP电路，包括：
用把光子耦合成SPPs的输入结构，
至少一个用把SPPs耦合成光子的输出结构，
一个或多个根据权利要求20-23任何一个的SPP组件，以及
两个或多个根据权利要求2的SPPBG波导，用于将SPPs从输入结构导引到一个或多个SPP组件之一中，并将SPPs从一个或多个SPP组件之一导引到至少一个输出结构。
25.控制表面等离子体偏振子(SPPs)在第一和第二媒质之间的至少基本为平面的界面上传播的方法，所述的方法包括下列步骤：
提供第一媒质，该第一媒质包括第一材料层，该材料层在第一频率范围内具有第一复介电常数ε1，其负的实部Re(ε1)＜0，并且具有于界面相邻的第一表面，
在一个或多个相邻于该界面的部分提供第二媒质，该第二媒质在至少相邻于界面的某些部分上具有第二频率范围内的第二复介电常数ε2，其正的实部Re(ε2)＞0，
在该界面上传播SPP，所述的SPP具有包含在第一和第二频率范围内的第一频率，
限定一个包含该界面和周围区域的传播层，其中当SPP在界面部分逐点传播时，在界面上所述每个点会经受不小于该1％电磁场强度的SPP电磁场，以及
通过在界面上提供一或多个作为SPPBG(表面等离子体带隙)区的非透射部分而将SPP约束在界面透射部分，该非透射部分至少基本不许具有含第一频率的第三频率范围内频率的SPPs进入，所述的SPPBF是由传播层中的散射中心限定的，而散射中心是当至少基本呈周期性的预定图案至少基本垂直地投影在第一界面上时而形成的，作为至少基本平行于该界面平面的一个横截面区的每个散射中心，是一个具有一或多个不同于所述平面中周围区域的复介电常数的复介电常数的区域。
26.根据权利要求25的方法，其中将SPP约束在界面透射部分的步骤进一步包括以下步骤：
在界面的透射部分上传播SPP，以及
当SPP从界面的透射部分传播到界面的非透射部分时，至少部分SPP将在界面的非透射部分反射，并且SPP的反射部分将在界面的透射部分上传播。
27.根据权利要求25或26的方法，其中该界面的透射部分包括不同于预定图案的投影散射中心图案。
28.根据权利要求25或26的方法，其中该界面的透射部分至少其本上没有投影散射中心。
29.根据权利要求25或26的方法，其中的散射中心是在第一和/或第二媒质界面处形成的结构。
30.根据权利要求25至29之一的方法，进一步包括通过将一格或多个光子耦合导该界面上而形成SPP的步骤。
31.根据权利要求25至30之一的方法，进一步包括将至少一部分SPP耦合成一个或多个光子的步骤。
32.根据权利要求25至31之一的方法，进一步包括在该界面上传播第二SPP的步骤，所述第二SPP具有第三频率区间之外的第二频率。
33.根据权利要求32之一的方法，其中将SPP约束到该界面透射部分的步骤，进一步包括在该界面的一个或多个非透射部分之一上传播第二SPP的步骤。
34.根据权利要求25至33之一的方法，进一步包括以下步骤：
在第二媒质中提供增益媒质，以向该第一界面上维持的SPP模式耦合能量，所述的增益媒质在垂直地投影在该第一界面上时限定了第一界面的透射部分，
电或光泵铺盖增益媒质，以及
通过从增益媒质中向包含SPP的模式中耦合能量，放大被导引的SPP。
35.一种用于制造控制SPP(表面等离子体偏振子)传播的器件的方法，该SPP具有第一频率并在至少基本为平面的界面上传播，所述的方法包括以下步骤：
提供具有一个至少基本为平面表面的基板，
在该基板表面的一个或多个部分上，形成至少基本周期性的预定结构图案，该图案是相对基板表面的凹陷或凸起，以在该基板与置于基板上的第一材料层之间确定一个或多个非透射部分，由此在该第一层中形成与基板表面凹或凸结构相对应的凹或凸结构，该第一材料层在包含第一频率的第一频率范围内具有复介电常数ε1，其负的实部Re(ε1)＜0，该界面是第一材料层的上或下表面，
其中形成结构图案，以在该界面上限定一个或多个没有所述预定图案的透射部分，所述的透射部分至少部分地由一个或多个基板表面的非透射部分所围绕。
36.根据权利要求35的方法，其中该界面适于维持SPPs的传播，而且其中该界面的一个或多个非透射部分在该界面上提供了一个或多个SPPBG(表面等离子体偏振子带隙)区。
37.根据权利要求35或36的方法，其中形成结构图案，已在界面上的非透射部分中限定构成SPP波导的一个或多个透射部分。
38.根据权利要求35或36的方法，其中形成结构图案，已在界面上的非透射部分中限定构成SPP谐振腔的一个或多个透射部分。
39.一种用于制造控制SPP(表面等离子体偏振子)传播的器件的方法，该SPP具有第一频率并在至少基本为平面的界面上所述的方法包括：
提供在第一频率范围内具有复介电常数ε1的第一材料层，其负的实部Re(ε1)＜0，其界面被限定为与第一材料层上或下表面对应的平面，以及
除去第一层的选定区域，或改变第一层选定区域的复介电常数，以便在第一层中形成选定区域的至少基本周期性图案，该选定区域具有与ε1不同的复介电常数，
其中选定区域在第一层与第二媒质之间的界面上限定一个或多个非透射部分和一个或多个透射部分，而且其中所述的透射部分由第一层的该一个或多个非透射部分局部地围绕。
40.根据权利要求39的方法，其中该界面适于维持表面等离子体偏振子的传播，而且其中该界面的一个或多个非透射部分在该界面上提供了一个或多个表面等离子体偏振子带隙(SPPBG)区。
41.根据权利要求39或40的方法，其中形成该区域图案，以在界面上的非透射部分中限定构成SPP波导的一个或多个透射部分。
42.根据权利要求39或40的方法，其中形成该区域图案，以在界面上的非透射部分中限定构成SPP谐振腔的一个或多个透射部分。
43.一种用于制造控制SPP(表面等离子体偏振子)传播的器件的方法，该SPP具有第一频率并在材料层与媒质之间的至少基本为平面的界面上传播，所述的方法包括以下步骤：
提供其一个表面与材料层相邻的基板，该基板在包含第一频率的第二频率范围内具有复介电常数ε2，其正实部Re(ε2)＞0，以及
将该基板上多个区域的复介电常数变成不同于ε2的复介电常数，所述的多个区域这样定位，使得当其至少基本垂直地投影到该界面上时，形成一个或多个至少基本周期性的预定图案，该图案限定了界面的一个或多个非透射部分，
在该基板的表面上提供材料层，所述的材料层在包含第一频率的第一频率范围内具有第一复介电常数ε1，其负的实部Re(ε1)＜0，并且该材料层具有上和下表面，该界面被定义为一个与该材料层的上或下表面对应的平面，
其中一个或多个预定图案在该界面上限定一个或多个没有所述预定图案的透射部分，所述的透射部分至少部分地由一个或多个非透射部分所围绕。
44.根据权利要求43的方法，其中与该材料层形成该界面的媒质是基板。
45.根据权利要求43或44的方法，其中该界面适于维持SPPs的传播，而且其中界面的一个或多个非透射部分在该界面上提供了一个或多个SPPBG(表面等离子体偏振子带隙)区。
46.根据权利要求43至45之一的方法，其中该基板包括一个或多个材料层。
47.根据权利要求43至46之一的方法，其中该多个区域定位成，限定一个或多个透射部分，以在界面的非透射部分中形成一个SPP波导。
48.根据权利要求43至46之一的方法，其中该多个区域定位成，限定一个或多个透射部分，以在界面的非透射部分中形成一个SPP谐振腔。
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