本發(fā)明涉及一種光電子器件，特別涉及一種實現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線。

背景技術(shù)：

表面等離子體是光波耦合進納米尺寸高強度的場增強。表面等離子體的固有性質(zhì)有助于一些特殊的納米結(jié)構(gòu)陣列的光學(xué)傳導(dǎo)。研究發(fā)現(xiàn)一些陣列相較于單孔有更高效傳輸效率。幾何形狀不同的金屬孔徑，例如圓形、三角形、脊狀或者蝴蝶狀結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性在理論和實驗上已經(jīng)被深入的研究。上述結(jié)構(gòu)可在鋒利的邊緣形成較強的熱點，同時也具有可以調(diào)諧的共振峰。

蝴蝶結(jié)形結(jié)構(gòu)相較于偶極天線具有多個共振及強電場增強寬帶效應(yīng)。在高速光通信網(wǎng)絡(luò)中的光纖，雖然也能在寬波段和長距離進行傳輸，但是它滿足不了突破衍射極限的超高集成度的下一代光子芯片的需要。

等離子體波導(dǎo)可以突破衍射極限，但應(yīng)用在更廣泛的區(qū)域，等離子波導(dǎo)卻會遇到很大的一個技術(shù)瓶頸，主要是它的傳播損耗和非常有限的有效激勵方法。

研究者提出用蝴蝶形狹縫演示了一個寬帶高效激勵方法，然而，對于研究者所提出的多層結(jié)構(gòu)，制造是相當(dāng)復(fù)雜的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對表面等離子低效激發(fā)的問題，提出了一種實現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線，是一種激勵表面等離子體的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，利于小型化集成。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種實現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線，包括上下結(jié)構(gòu)的基底層和金屬層，基底層材料為低折射率的二氧化硅，金屬層材料為銀，銀層通過磁控濺射鍍膜機沉積在低折射率的二氧化硅表面，銀層為一拍子形狀，拍面為一矩形，手柄為等寬帶狀，形成一個帶狀的條形波導(dǎo)；用聚焦離子束在矩形上以帶狀手柄中心線對稱刻蝕兩個相同的等腰三角形，等腰三角形深度為銀層的厚度，刻蝕后，通過等腰三角形可直視到二氧化硅層，等腰三角形頂角正對，形成蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)，兩個等腰三角形頂角的間距為w1，兩個等腰三角形構(gòu)成蝴蝶結(jié)形天線，兩個等腰三角形頂角的間距w1稱為蝴蝶結(jié)形狹縫，兩個等腰三角形的高度為L，蝴蝶結(jié)天線頂角的角度為θ，聚焦的高斯光束垂直照射在蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)上，從而激發(fā)表面等離子體。

所述兩個等腰三角形的高度L和蝴蝶結(jié)天線頂角的角度θ可調(diào)。

所述兩個等腰三角形的高度L和蝴蝶結(jié)天線頂角θ根據(jù)不同高斯光波長計算后進行調(diào)節(jié)。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明實現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線，當(dāng)光的偏振方向與波導(dǎo)方向一致的光照射到條形波導(dǎo)時，波導(dǎo)頂端的表面等離子體波成功激發(fā)。由于不同諧振長度導(dǎo)致的多倍偶極子從蝴蝶結(jié)形邊緣產(chǎn)生，從而具有寬帶特性。長度為500nm波導(dǎo)具有很穩(wěn)定的激發(fā)效率，帶寬大概為610nm。涵蓋了大部分可見光的范圍，一直到近紅外范圍。其獨特的寬帶特性，可廣泛應(yīng)用于多波長信號傳輸與處理的等離子集成電路。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線橫截面示意圖；

圖2為本發(fā)明實現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線俯視圖。

具體實施方式

為了便于說明本申請，這里對本申請涉及的相關(guān)術(shù)語作出如下解釋：

1、超寬帶：從單色器射出的單色光譜線強度輪廓曲線的二分之一高度處的譜帶寬度，超寬帶表示光譜范圍很寬，涵蓋大多數(shù)光譜譜線范圍。

2、表面等離子體激元：金屬表面自由電子與入射光子相互耦合形成的非輻射電磁模式，它是局域在金屬和介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ囊环N混合激發(fā)態(tài)。這種模式存在于金屬與介質(zhì)界面附近，其場強在界面處達到最大，且在界面兩側(cè)均沿垂直于界面的方向呈指數(shù)式衰減。表面等離子激元具有較強的場限制特性，可以將場能量約束在空間尺寸遠小于其自由空間傳輸波長的區(qū)域，且其性質(zhì)可隨金屬表面結(jié)構(gòu)變化而改變。表面等離子激元波導(dǎo)可以突破衍射極限的限制，將光場約束在幾十納米甚至更小的范圍內(nèi)，并產(chǎn)生顯著的場增強效應(yīng)。

3、偏振方向：光波電矢量的振動方向。

利用表面等離子體原理提出了一種實現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)。通過對金屬表面納米結(jié)構(gòu)的調(diào)制，使其實現(xiàn)與表面等離子激元的波長匹配，從而激發(fā)表面等離子體。

如圖1所示實現(xiàn)超寬帶表面等離子激發(fā)蝴蝶結(jié)形狹縫天線結(jié)構(gòu)橫截面示意圖，包括基底層3和金屬層2，基底層3材料為低折射率的二氧化硅，金屬層2材料為銀，厚度為150nm的銀層通過磁控濺射鍍膜機沉積在低折射率的二氧化硅表面，入射光1為聚焦的高斯光束。

導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線俯視圖。金屬層2為一拍子形狀，拍面為一矩形，手柄為等寬帶狀，用聚焦離子束在矩形上以帶狀手柄中心線對稱刻蝕兩個相同的等腰三角形，等腰三角形深度為金屬層2的厚度，刻蝕后，通過等腰三角形可直視到基底層3，等腰三角形頂角正對，形成蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)，兩個等腰三角形頂角的間距為w1，兩個等腰三角形構(gòu)成蝴蝶結(jié)形天線，兩個等腰三角形頂角的間距w1稱為蝴蝶結(jié)形狹縫，L為單個蝴蝶結(jié)形天線(一個等腰三角形)的高度，w2為帶狀手柄未刻透波導(dǎo)槽的寬度。θ為蝴蝶結(jié)天線頂角的角度。用聚焦離子束刻蝕的蝴蝶結(jié)狀狹縫。此外，在蝴蝶結(jié)形狹縫右側(cè)，帶狀手柄未被刻蝕的銀膜，形成一個帶狀的條形波導(dǎo)，如圖2所述形成了實現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)。條形波導(dǎo)長度，這里的長度是指相同寬度的帶狀手柄長度，不包含圓弧半徑長，根據(jù)不同波長的高斯光可以調(diào)節(jié)長度。因為不同的高斯光波長，結(jié)構(gòu)的激勵效率也不一樣，因此可以通過改變蝴蝶結(jié)形天線即一個等腰三角形的高度和頂角角度來調(diào)節(jié)對不同波長高斯光的激勵效率，這個可以通過計算確定。

本實例中，金屬層的厚度為150nm，蝴蝶結(jié)形即等腰三角形的高度有L和頂角的角度θ可以適當(dāng)改變，改變角度θ和蝴蝶結(jié)形的三角形高度L可以使得特定波長的激勵效率提高。通過高數(shù)值孔徑物鏡聚焦的高斯光束垂直照射在蝴蝶結(jié)形結(jié)構(gòu)上，也就是長條波導(dǎo)頂端的等腰三角形結(jié)構(gòu)。從而激發(fā)表面等離子體。所實現(xiàn)表面等離子激發(fā)光的波長可以用不同寬波帶波長的光來激發(fā)。

使用COMSOL對本實例中實現(xiàn)超寬帶激發(fā)表面等離子體波導(dǎo)模式的蝴蝶結(jié)形天線結(jié)構(gòu)進行仿真。

本實例中，當(dāng)不同諧振長度導(dǎo)致的多倍偶極子從蝴蝶結(jié)形邊緣產(chǎn)生，從而導(dǎo)致了寬帶特性。長度為500nm波導(dǎo)它具有很穩(wěn)定的激發(fā)效率，帶寬大概為610nm。涵蓋了大部分可見光的范圍，一直到近紅外范圍。其獨特的寬帶特性，本發(fā)明提出的激發(fā)結(jié)構(gòu)，將在下一代等離子集成芯片和功能器件中大量應(yīng)用。