專利名稱：一種表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光波導(dǎo)，特別是涉及一種表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
由于一維納米結(jié)構(gòu)徑向具有小于可見光波長的尺寸，信號光可以有效地沿著納米結(jié)構(gòu)的 軸向傳輸，具有波導(dǎo)器件的功能，可用于有效連接各個納米光子學(xué)器件或單元，執(zhí)行集成體 系內(nèi)各種復(fù)雜的任務(wù)。相對于常規(guī)波導(dǎo)器件，半導(dǎo)體納米光波導(dǎo)由于自身能夠發(fā)出熒光，可 以減小光耦合帶來的能量損失。近年來，半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的光波導(dǎo)行為得到廣泛地重視，但 仍然無法避免能量在信息傳輸中的損耗。因此，通過何種方式實(shí)現(xiàn)納米集成光路很小尺度內(nèi) 的光信號局域放大成為人們不得不考慮的問題。
公開號為CN1359478的發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N光波導(dǎo)和光纖絕緣體。用于旋轉(zhuǎn)耦合到所 述面的光的該偏振面的光波導(dǎo)包括法拉第效應(yīng)光纖芯、光纖護(hù)層和外層，外層產(chǎn)生永久磁場 并同軸地覆蓋著摻雜了 YIG材料的光纖芯。用具有磁性或能夠被磁化的材料制造外層。該磁 外層由兩個半殼組成。
公開號為CN1461420的發(fā)明專利申請?zhí)峁┮环N光學(xué)開關(guān)，具有一個輸入波導(dǎo)和兩個輸出 波導(dǎo)，被溝槽分開并位于溝槽周圍。輸入波導(dǎo)和第一輸出波導(dǎo)具有它們各自的芯限定的各自 光路；這些光路(和芯)彼此對準(zhǔn)或者同軸。這些波導(dǎo)也被溝槽分開，所述溝槽中具有折射率 與波導(dǎo)的折射率不同的介質(zhì)。輸入波導(dǎo)和第一輸出波導(dǎo)被分開一段距離，該距離不足以影響 從輸入波導(dǎo)傳播到第一輸出波導(dǎo)的光信號的傳輸特性，即使光信號從輸入波導(dǎo)到第一輸出波 導(dǎo)傳播時經(jīng)過不同的折射率。輸入波導(dǎo)和第二輸出波導(dǎo)通常設(shè)置在所述溝槽的同一側(cè)以便從 輸入波導(dǎo)傳播到第二輸出波導(dǎo)的光信號不完全穿過所述溝槽。這樣，即使光信號從輸入波導(dǎo) 到第一或者第二輸出波導(dǎo)之一傳播時經(jīng)過不同的折射率，光信號在波導(dǎo)之間必須通過的距離 足夠小，從而不會影響所述信號的光學(xué)傳輸特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目有在于提供一種有利于傳播光信號的表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。 本發(fā)明設(shè)有圓柱形芯層和管狀殼層，圓柱形芯層為金屬芯層，殼層為寬帶隙介質(zhì)殼層。 金屬芯層可為金芯層、銀芯層、銅芯層或鋅芯層等。
殼層可為硅酸鋅殼層、氧化鋅殼層、二氧化硅殼層、氧化硅殼層、碳化硅殼層、氮化鎵 殼層、氮化鋁殼層或氮化硅殼層等。 金屬芯層的直徑最好為10 200nm。 殼層的厚度應(yīng)小于所傳播光波的半波長。 當(dāng)本發(fā)明用于傳輸單模光信號時，光場強(qiáng)度增益在5倍以上。
本發(fā)明利用表面等離激元增強(qiáng)輻射效率，使被傳播的光信號在表面等離激元同軸光波導(dǎo) 中得到放大。此外，如果選用適當(dāng)?shù)闹苯訋栋雽?dǎo)體材料作為殼層介質(zhì)材料，還能補(bǔ)償目標(biāo) 光信號，減小目標(biāo)光信號的損耗，同時降低噪聲光信號，增加傳播距離。本發(fā)明可采用化學(xué) 氣相沉積的方法制備。
本發(fā)明的有益效果是1)以金屬為芯層的表面等離激元同軸線光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以使被傳 播的光信號在波導(dǎo)中得到放大；2)提供模體積很小的諧振腔，從而提高精細(xì)度，有利于提高 目標(biāo)光信號的傳播效率。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為用有限時域差分法(Finite-Difference Time-Domain, FDTD)模擬圖1所示的表 面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中在表面等離激元作用下的剖面電磁場分布。在圖2中，圓柱形 金屬芯層的直徑為50nm，管狀殼層的厚度為25nm，芯層金屬為鋅，殼層介質(zhì)為硅酸鋅，模擬 光波長為300nm。
圖3為用有限時域差分法模擬本發(fā)明的另一個實(shí)施例金屬鋅芯層-二氧化硅殼層同軸光 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的剖面電磁場分布。在圖3中，圓柱形金屬芯層的直徑為50nm，管狀殼層的厚度為 25nra，芯層金屬為鋅，殼層介質(zhì)為二氧化硅，模擬光波長為348ran。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 實(shí)施例1
表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由圓柱形金屬芯層1和管狀寬帶隙介 質(zhì)殼層2構(gòu)成。其中芯層l采用金屬鋅，介質(zhì)殼層2采用寬帶隙硅酸鋅。圓柱形金屬芯層直 徑50nm，管狀寬帶隙介質(zhì)殼層的厚度25nm，小于所傳播波長為300rim的光波半波長。該結(jié)構(gòu) 的制備，可采用石英管為反應(yīng)腔，以流動氮?dú)鉃楸Ｗo(hù)氣、金屬鋅粉末為原料，反應(yīng)形成于單 晶硅襯底上。實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果表明，本實(shí)施例中表面等離激元提供模體積很小的諧振腔，與同 結(jié)構(gòu)內(nèi)的回音壁模式和波導(dǎo)模式相比，其精細(xì)度分別高出10倍和33倍，因此有利于提高目
標(biāo)光信號(300nm)的傳播效率。模擬的入射波長為300nm時的電磁場分布如圖2所示，可見 由于激發(fā)了表面等離子振蕩，光能量主要分布在金屬鋅表面，光能量增益在5倍以上，此模 擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)一致。 實(shí)施例2
與實(shí)施例l類似，其區(qū)別在于采用二氧化硅作為殼層介質(zhì)材料，從而得到不同的目標(biāo)波 長，該結(jié)構(gòu)對應(yīng)的目標(biāo)波長為348nm，模擬的電磁場分布參見圖3，光能量增益在5倍以上。 可見，通過改變芯層金屬材料以及殼層寬帶隙介質(zhì)材料的種類，可以設(shè)計(jì)不同目標(biāo)波長的表 面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例3
與實(shí)施例1類似，其區(qū)別在于采用金芯層，金芯層的直徑為10nm，殼層介質(zhì)材料為氧化 鋅殼層。
實(shí)施例4
與實(shí)施例1類似，其區(qū)別在于采用銀芯層，銀芯層的直徑為100rim，殼層介質(zhì)材料為氧 化硅殼層。 實(shí)施例5
與實(shí)施例1類似，其區(qū)別在于采用銅芯層，銅芯層的直徑為200nm，殼層介質(zhì)材料為碳 化硅殼層。 實(shí)施例6
與實(shí)施例1類似，其區(qū)別在于采用銀芯層，銀芯層的直徑為150nm，殼層介質(zhì)材料為氮 化鎵殼層。 實(shí)施例7
與實(shí)施例l類似，其區(qū)別在于鋅芯層的直徑為80nm，殼層介質(zhì)材料為氮化鋁殼層。
權(quán)利要求
1.一種表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于設(shè)有圓柱形芯層和管狀殼層，圓柱形芯層為金屬芯層，殼層為寬帶隙介質(zhì)殼層。
2. 如權(quán)利要求l所述的一種表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于金屬芯層為金芯 層、銀芯層、銅芯層或鋅芯層。
3. 如權(quán)利要求l所述的一種表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于殼層為硅酸鋅殼 層、氧化鋅殼層、二氧化硅殼層、氧化硅殼層、碳化硅殼層、氮化鎵殼層、氮化鋁殼層或氮 化硅殼層。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的一種表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于金屬芯層的 直徑為10 200nm。
5. 如權(quán)利要求1或3所述的一種表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特征在于殼層的厚度 小于所傳播光波的半波長。
全文摘要
一種表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，涉及一種光波導(dǎo)。提供一種有利于傳播光信號的表面等離激元同軸光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。設(shè)有圓柱形芯層和管狀殼層，圓柱形芯層為金屬芯層，殼層為寬帶隙介質(zhì)殼層。以金屬為芯層的表面等離激元同軸線光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以使被傳播的光信號在波導(dǎo)中得到放大；提供模體積很小的諧振腔，從而提高精細(xì)度，有利于提高目標(biāo)光信號的傳播效率。
文檔編號G02B6/02GK101363939SQ20081007186
公開日2009年2月11日 申請日期2008年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月26日
發(fā)明者夏 馮, 莊慶瑞, 康俊勇 申請人:廈門大學(xué)