專利名稱：金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米線耦合的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微納光學(xué)結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米
線高效率耦合組成的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著對光通信、光計(jì)算等大容量高速光信息傳輸和處理要求的提高，光子器件及 其互聯(lián)光路的特征尺寸向亞波長和納米尺度范圍邁進(jìn)，具有突破光的衍射極限約束能力的 表面等離子體激元在納米尺度光信息載體方面顯示出潛在的應(yīng)用前景。金屬納米線具有光 滑的表面和良好的晶體結(jié)構(gòu)，是一種易于操作和集成的表面等離子體波導(dǎo)，但是目前激發(fā) 金屬納米線的耦合方式主要有聚焦耦合、棱鏡耦合等方式，不利于高密度集成，而且以光頻 振蕩的電磁波在金屬中存在或傳輸時(shí)不可避免地具有歐姆損耗，因此全部由等離子體波導(dǎo) 制成的器件面臨嚴(yán)重的信號衰減和熱量產(chǎn)生等問題，使其在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。納米 光纖是一種典型的亞波長尺寸介質(zhì)波導(dǎo)，是目前報(bào)道的損耗最低的亞波長尺寸波導(dǎo)之一。 光學(xué)納米線也具有制備簡單、均勻性好、機(jī)械強(qiáng)度和韌性好、可自由操作等優(yōu)點(diǎn)。如果納米 光纖和光學(xué)納米線能夠與表面等離子體波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)有效耦合，就可以利于金屬_介質(zhì)互補(bǔ)型 導(dǎo)波結(jié)構(gòu)從整體上降低器件損耗，從而提供一種簡單和緊湊的方式與現(xiàn)有光纖通信系統(tǒng)兼 容，為高密度的光電子集成提供希望。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種金屬納米線與納米光纖、光學(xué) 納米線耦合的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。利用金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米線之間的直接接觸可 以得到高效率耦合，可以實(shí)現(xiàn)消光比很高的偏控制，可以制備復(fù)合結(jié)構(gòu)的光電子集成器件 并從整體上降低器件損耗。 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是 納米光纖直接與金屬納米線耦合通過亞波長尺度近場相互作用激發(fā)金屬納米線
的表面等離子體共振信號，或者先通過微納操作將金屬納米線與光學(xué)納米線接觸形成耦
合，再用納米光纖耦合納米線。納米線的輸出端用另一根納米光纖耦合收集信號。 本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明的耦合方式具有很高的耦合效率，結(jié)構(gòu)簡單，易
于控制和調(diào)節(jié)，可以通過調(diào)節(jié)耦合區(qū)納米線的重疊長度或者納米線之間的角度來控制耦合
效率，納米線的輸出光具有很好的偏振特性，可以實(shí)現(xiàn)一根光學(xué)納米線到多根金屬納米線
的同時(shí)耦合激發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合器、Mach-Zehnder干涉儀和環(huán)形諧振腔器件，可
以從整體上降低器件損耗，可以與現(xiàn)有光纖系統(tǒng)兼容。


圖1是本發(fā)明的平行耦合方式的結(jié)構(gòu)原理示意圖和實(shí)驗(yàn)圖； 圖2是本發(fā)明的以一定角度實(shí)現(xiàn)耦合的結(jié)構(gòu)原理示意圖和實(shí)驗(yàn)圖，以及復(fù)合結(jié)構(gòu)第一個(gè)實(shí)施例分束器的結(jié)構(gòu)原理示意圖和實(shí)驗(yàn)圖； 圖3是復(fù)合結(jié)構(gòu)第二個(gè)實(shí)施例Mach-Zehnder干涉儀的結(jié)構(gòu)原理示意圖和實(shí)驗(yàn) 圖； 圖4是復(fù)合結(jié)構(gòu)第三個(gè)實(shí)施例環(huán)形諧振腔的結(jié)構(gòu)原理示意圖和實(shí)驗(yàn)圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的目的和效果將變得更加明顯。 如圖1、2所示，本發(fā)明是在襯底上，將納米光纖直接與金屬納米線耦合激發(fā)金屬 納米線的表面等離子體共振信號，或者先將納米光纖與光學(xué)納米線耦合再通過光學(xué)納米線 平行或以一定角度耦合激發(fā)金屬納米線。從金屬納米線輸出的信號可以通過光學(xué)納米線耦 合輸出，且輸出光具有很好的偏振特性。 所述的金屬納米線、納米光纖、光學(xué)納米線直徑均為50 2000nm。所述的復(fù)合結(jié) 構(gòu)，耦合效率由納米線重疊長度或者納米線之間的角度決定。耦合角度在0 180度變化。 所述的金屬納米線為金、銀、鋁、銅。所述的光學(xué)納米線為聚合物納米線、S01波導(dǎo)或者半導(dǎo) 體納米線。 本發(fā)明的制備過程如下 1、使用軟溶液法制備出直徑為320nm的銀納米線，高溫蒸發(fā)法制備出直徑為 340nm的氧化鋅納米線，高溫拉伸普通單模光纖制備出直徑小于1 P m的納米光纖。在光學(xué) 顯微鏡下通過控制固定在三維精密調(diào)節(jié)架上的單模光纖，用位于單模光纖端頭的納米光纖 直接平行接觸銀納米線，耦合進(jìn)單模光纖的入射光可以由此激發(fā)銀納米線的表面等離子體 共振。或者先用掃描探針顯微鏡的探針將銀納米線與氧化鋅納米線以一定長度耦合，再用 納米光纖耦合銀納米線或者氧化鋅納米線。改變光學(xué)顯微鏡CCD之前的偏振片可以觀察 輸出光的偏振狀態(tài)。圖l(a)是本發(fā)明的平行耦合方式的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖1(b、c、e)是 對應(yīng)圖l(a)的通入650nm波長激光的實(shí)驗(yàn)圖；圖l(d)是描述氧化鋅納米線與銀納米線耦 合細(xì)節(jié)的掃描電子顯微鏡的照片；圖Uf、g)是在不同偏振方向上的輸出光情況，消光比達(dá) 12dB。 2、使用軟溶液法制備出直徑為240nm的銀納米線，高溫蒸發(fā)法制備出直徑為 270nm的氧化鋅納米線，高溫拉伸普通單模光纖制備出直徑小于1 y m的納米光纖。使用同 樣的方法通過微納操作制備出具有一定角度的氧化鋅納米線與銀納米線的耦合。用納米光 纖耦合氧化鋅納米線輸入光，改變輸入光源，可以得到不同波長處氧化鋅納米線與銀納米 線的耦合效率。圖2為本發(fā)明的以一定角度實(shí)現(xiàn)耦合的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2(b)是氧化鋅 納米線與銀納米線以一定角度耦合的掃描電子顯微鏡的照片；圖2(c-e)是輸入光源分別 為488nm、532nm、650nm激光時(shí)的耦合情況，此時(shí)偏振片沿銀線方向，減去銀納米線損耗的 影響，在650nm處的耦合效率大概82X;圖2(f)是輸入白光光源的耦合情況；圖2 (g)是偏 振片轉(zhuǎn)過90度時(shí)的輸出圖片。使用同樣的方法如圖2(h)制備出一根氧化鋅納米線與多根 銀納米線同時(shí)耦合的結(jié)構(gòu)，所用銀線直徑為90 200nm，納米線之間的角度為5。 68° ， 由此可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的分束器。 3、使用軟溶液法制備出直徑為120nm的銀納米線，高溫蒸發(fā)法制備出直徑為330nm的氧化鋅納米線，高溫拉伸普通單模光纖制備出直徑小于1 P m的納米光纖。通過 微納操作制備出一臂為氧化鋅納米線， 一臂為銀納米線的復(fù)合結(jié)構(gòu)的Mach-Zehnder干涉 儀。用一根納米光纖耦合氧化鋅的一端輸入光，另一根納米光纖耦合氧化鋅的輸出端收 集信號。圖3(a)為復(fù)合結(jié)構(gòu)Mach-Zehnder干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3 (b)是輸入白光時(shí) Mach-Zehnder干涉儀的光學(xué)顯微鏡照片，其中的插圖為氧化鋅納米線與銀納米線耦合區(qū)的 掃描電子顯微鏡的照片；圖3(c)是用光譜儀測得的干涉儀輸出的透射譜。
4、使用軟溶液法制備出直徑為265nm的銀納米線，高溫蒸發(fā)法制備出直徑為 400nm的氧化鋅納米線，高溫拉伸普通單模光纖制備出直徑小于1 P m的納米光纖。通過微 納操作將氧化鋅納米線兩端與銀納米線兩端分別耦合從而形成閉合的復(fù)合結(jié)構(gòu)的環(huán)形諧 振腔。圖4(a)為復(fù)合結(jié)構(gòu)環(huán)形諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4(b)是環(huán)形諧振腔的掃描電子顯微 鏡的照片；圖4(c)是輸入白光時(shí)用光譜儀從輸出端測得的環(huán)形諧振腔的透射譜，在890nm 波長處的Q值大約520，其中插圖是暗場下光學(xué)顯微鏡的照片。 本發(fā)明將金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米線直接耦合得到了復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，耦 合效率高，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制和調(diào)節(jié)，納米線的輸出光具有很好的偏振特性，可以實(shí)現(xiàn)復(fù) 合結(jié)構(gòu)的納米光子學(xué)集成器件，可以從整體上降低器件損耗，可以與現(xiàn)有光纖系統(tǒng)兼容。
權(quán)利要求
一種基于金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米線耦合的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，其特征在于將金屬納米線與光學(xué)納米線耦合形成復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，用納米光纖與金屬或者光學(xué)納米線一端耦合作為光信號輸入端，用另一根納米光纖耦合納米線的輸出端收集信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米線耦合的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬納米線、納米光纖、光學(xué)納米線直徑均為50 2000nm。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米線耦合的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合效率，由耦合區(qū)納米線的重疊長度和納米線之間的角度決定。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米線耦合的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬納米線的材料為金、銀、鋁、銅。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米線耦合的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的光學(xué)納米線為聚合物納米線、SOI波導(dǎo)或者半導(dǎo)體納米線。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米線耦合的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)為耦合器、分束器、Mach-Zehnder干涉儀和環(huán)形諧振腔器件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬納米線與納米光纖、光學(xué)納米線直接高效率耦合組成的復(fù)合導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。納米光纖可以直接與金屬納米線耦合，通過亞波長尺度近場相互作用，激發(fā)或者收集金屬納米線的表面等離子體共振信號。也可以先通過微納操作將金屬納米線與光學(xué)納米線平行或者以一定角度接觸形成耦合，再用拉錐的納米光纖耦合納米線。本發(fā)明的復(fù)合導(dǎo)波方式具有很高的耦合效率，結(jié)構(gòu)簡單，納米線的輸出光具有很好的偏振特性，可以通過調(diào)節(jié)耦合區(qū)納米線的重疊長度或者納米線之間的角度來控制耦合效率，可以實(shí)現(xiàn)一根光學(xué)納米線到多根金屬納米線的同時(shí)耦合激發(fā)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合結(jié)構(gòu)的耦合器、分束器、Mach-Zehnder干涉儀和環(huán)形諧振腔器件，可以與現(xiàn)有光纖系統(tǒng)兼容。
文檔編號G02B6/10GK101702046SQ20091015425
公開日2010年5月5日 申請日期2009年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者張奚寧, 楊青, 童利民, 虞華康, 郭欣, 馬耀光 申請人:浙江大學(xué)