專(zhuān)利名稱(chēng)：一種表面等離子波信號(hào)放大器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面等離子波技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種表面等離子波信號(hào)放大器及其制作方法。
背景技術(shù)：
SP (Surface Plasmon,表面等離子)波是在金屬和介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ囊环N非福射電磁波，是納光子學(xué)的重要研究領(lǐng)域。利用SP波的性質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的光子學(xué)器件，突破傳統(tǒng)集成光電子技術(shù)的限制，在未來(lái)高速通信系統(tǒng)、集成光子信息處理系統(tǒng)、新型生物光子學(xué)傳感器等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。但由于金屬中的歐姆效應(yīng)，SP波傳輸中有很強(qiáng)的損耗，即使采用了長(zhǎng)程SPP(Surface Plasmon Polariton,表面等離子激元)波導(dǎo)技術(shù),在可見(jiàn)光波段,傳播長(zhǎng)度仍只有幾微米。這就需要一種可集成在SP波導(dǎo)中的SP波信號(hào)放大器。目前尚無(wú)可靠的表面等離子波的數(shù)字信號(hào)放大技術(shù)，現(xiàn)有的增益補(bǔ)償法屬于模擬放大，會(huì)使信號(hào)和噪聲同時(shí)被放大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問(wèn)題是提供一種表面等離子波信號(hào)放大器及其制作方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中SP波傳播長(zhǎng)度短的缺陷。本發(fā)明是一種閾值放大器，能夠有效的實(shí)現(xiàn)表面等離子波的數(shù)字信號(hào)放大，且具有fs級(jí)的響應(yīng)時(shí)間、THz級(jí)的帶寬和多波長(zhǎng)工作能力。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種表面等離子波信號(hào)放大器，所述放大器包括基底(1)、金屬層(2)和沉積介質(zhì)層(3)；
所述金屬層(2)位于所述基底(1)和沉積介質(zhì)層(3)之間，其頂面與所述沉積介質(zhì)層(3)的底面連接，底面與所述基底(1)的頂面連接；
所述金屬層(2)的頂面開(kāi)有貫通兩側(cè)的波導(dǎo)凹槽，所述波導(dǎo)凹槽的寬度為5(T90nm ;所述沉積介質(zhì)層(3)的底面設(shè)置有與所述波導(dǎo)凹槽對(duì)應(yīng)的凸起，所述波導(dǎo)凹槽和凸起形成波導(dǎo)⑷;
所述波導(dǎo)(4)的側(cè)壁上開(kāi)有增益槽，所述增益槽的寬度為fl. 5 μ m，所述增益槽內(nèi)填充有增益介質(zhì)(6)和飽和吸收體(7)；
所述放大器還包括泵浦光發(fā)射裝置(5 )，用于發(fā)射激發(fā)所述增益介質(zhì)(6 )的泵浦光。其中，所述波導(dǎo)(4)的另一側(cè)壁上可設(shè)置有支節(jié)結(jié)構(gòu)(8)，所述支節(jié)結(jié)構(gòu)(8)與所述增益槽相對(duì)。其中，所述金屬層(2)的頂面也可設(shè)置為諧振環(huán)耦合結(jié)構(gòu)(9)，所述諧振環(huán)耦合結(jié)構(gòu)(9)為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，由其尺寸決定的特定波長(zhǎng)的等離子波可通過(guò)所述諧振環(huán)耦合結(jié)構(gòu)(9)實(shí)現(xiàn)耦合。其中，作為實(shí)施例，所述基底(I)的材料為硅，金屬層(2)的材料為銀，沉積介質(zhì)層
(3)的材料為二氧化硅、增益介質(zhì)(6)的材料為若丹明，飽和吸收體的材料為DODCI (二乙基氧雜二羰花青碘化物)。
本發(fā)明還提供一種表面等離子波信號(hào)放大器的制作方法，所述方法包括以下步驟
A、在基底上濺射金屬層；
B、在所述金屬層上刻蝕增益槽；
C、在所述增益槽內(nèi)填充增益介質(zhì)和飽和吸收體； D、在所述金屬層上刻蝕貫通所述金屬層兩側(cè)的波導(dǎo)凹槽；
E、在所述金屬層上沉積介質(zhì)，形成沉積介質(zhì)層；
F、安裝泵浦光發(fā)射裝置，向所述增益介質(zhì)發(fā)射泵浦光。其中，在所述步驟A中，具體包括采用等離子放電或電子束蒸發(fā)法在所述基底上濺射金屬層，所述基底的材料為硅，所述金屬層的材料為銀。其中，在所述步驟B中，刻蝕工藝采用干法刻蝕，所述增益槽的寬度為廣I. 5 μ m。其中，在所述步驟C中，具體包括采用甩膠法在所述增益槽內(nèi)填充增益介質(zhì)和飽和吸收體，所述增益介質(zhì)的材料為若丹明，所述飽和吸收體的材料為DODCI。其中，在所述步驟E中，具體包括采用等離子輔助沉積法在所述金屬層上沉積介質(zhì)，形成沉積介質(zhì)層，所述沉積介質(zhì)層的材料為二氧化硅。其中，在所述步驟D中，刻蝕工藝采用電子束曝光法，所述波導(dǎo)凹槽的寬度為50 90nm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明能夠?qū)P波導(dǎo)傳輸?shù)腟P波實(shí)現(xiàn)超快信號(hào)放大，從而增加了 SP波的傳播長(zhǎng)度。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例I的一種表面等離子波信號(hào)放大器的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明實(shí)施例2的一種表面等離子波信號(hào)放大器的結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明實(shí)施例3的一種表面等離子波信號(hào)放大器的結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明實(shí)施例4的一種表面等離子波信號(hào)放大器的制作方法的流程 圖5是本發(fā)明實(shí)施例4的制作方法的各步驟對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品的狀態(tài)圖。其中，I.基底,2.金屬層,3.沉積介質(zhì)層,4.波導(dǎo),5.泵浦光發(fā)射裝置,6.增益介質(zhì)，7.飽和吸收體，8.支節(jié)結(jié)構(gòu),9.諧振環(huán)稱(chēng)合結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
做進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明。實(shí)施例I
本實(shí)施例的一種表面等離子波信號(hào)放大器的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括基底I、金屬層2和沉積介質(zhì)層3 ；
所述金屬層2位于所述基底I和沉積介質(zhì)層3之間，其頂面與所述沉積介質(zhì)層3的底面連接，底面與所述基底I的頂面連接；
所述金屬層2的頂面開(kāi)有貫通兩側(cè)的波導(dǎo)凹槽，所述波導(dǎo)凹槽的寬度為5(T90nm ;所述沉積介質(zhì)層3的底面設(shè)置有與所述波導(dǎo)凹槽對(duì)應(yīng)的凸起，所述波導(dǎo)凹槽和凸起形成MIM(金屬-介質(zhì)-金屬)波導(dǎo)4，信號(hào)光經(jīng)過(guò)所述波導(dǎo)4傳輸；所述波導(dǎo)4的側(cè)壁上開(kāi)有增 益槽，所述增益槽的寬度為fl. 5 μ m，所述增益槽內(nèi)填充有增益介質(zhì)6和飽和吸收體7 ；
所述放大器還包括泵浦光發(fā)射裝置5，用于發(fā)射激發(fā)所述增益介質(zhì)6的泵浦光。增益槽與波導(dǎo)4的交匯區(qū)形成一個(gè)等效的SP腔，通過(guò)計(jì)算設(shè)計(jì)該腔的模式與Q值，并與填充的增益介質(zhì) 6 構(gòu)成 SPASER(Surface Plasmon Amplification by StimulatedEmission of Radiatio,表面等離子受激福射放大)。SPASER技術(shù)是局域性表面等離子體與增益介質(zhì)6結(jié)合形成的，當(dāng)表面等離子激元與增益介質(zhì)6的反轉(zhuǎn)粒子能級(jí)共振,產(chǎn)生類(lèi)似于激光器的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程，形成SPP的受激輻射放大過(guò)程。在SPASER的增益介質(zhì)6中植入飽和吸收體7，可以可以使其呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)特性，克服SPASER內(nèi)反饋引起的表面等離子增益飽和，使SPASER可作為放大器工作。選擇合適的飽和吸收體7與增益介質(zhì)6的密度比，SPASER在雙穩(wěn)態(tài)工作。在波導(dǎo)4中傳輸?shù)腟P波信號(hào)與SPASER耦合，在脈沖泵浦條件下，如傳輸信號(hào)為O (低于SPASER閾值)，SPASER保持在低態(tài)，不提供信號(hào)增益；如傳輸信號(hào)為I (高于SPASER閾值)，SPASER會(huì)在小于IOOfs (femtosecond,飛秒)時(shí)間內(nèi)激發(fā)至高態(tài),實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大,其中I fs為千萬(wàn)億分之一秒，即0.001皮秒，在I fs中光可以在真空內(nèi)傳播0. 3微米，可見(jiàn)光的振蕩周期為I. 30到2. 57飛秒。本實(shí)施例中，所述基底I的材料為硅，金屬層2的材料為銀，沉積介質(zhì)層3的材料為二氧化硅、增益介質(zhì)6的材料為若丹明，飽和吸收體的材料為DODCI。實(shí)施例2
本實(shí)施例的一種表面等離子波信號(hào)放大器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I相同，本實(shí)施例與實(shí)施例I的區(qū)別在于，所述波導(dǎo)4的另一側(cè)壁上設(shè)置有支節(jié)結(jié)構(gòu)8，所述支節(jié)結(jié)構(gòu)8與所述增益槽相對(duì)，所述支節(jié)結(jié)構(gòu)8用于增加等效SP腔的Q值。實(shí)施例3
本實(shí)施例的一種表面等離子波信號(hào)放大器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I相同，本實(shí)施例與實(shí)施例I的區(qū)別在于，所述金屬層2的頂面設(shè)置有諧振環(huán)耦合結(jié)構(gòu)9，所述諧振環(huán)耦合結(jié)構(gòu)9為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，由其尺寸決定的特定波長(zhǎng)的等離子波可通過(guò)所述諧振環(huán)耦合結(jié)構(gòu)9實(shí)現(xiàn)耦合，本實(shí)施例中該諧振環(huán)耦合結(jié)構(gòu)9為圖示的環(huán)形金屬腔，處于波導(dǎo)與增益介質(zhì)之間，實(shí)現(xiàn)兩者的耦合作用。本實(shí)施例的表面等離子波信號(hào)放大器主要用于對(duì)信號(hào)波模式要求較高的場(chǎng)合。實(shí)施例4
本實(shí)施例的一種表面等離子波信號(hào)放大器的制作方法如圖4所示，包括以下步驟步驟s401，在基底上濺射金屬層。本實(shí)施例中，采用等離子放電或電子束蒸發(fā)法在所述基底上濺射金屬層，所述基底的材料為硅，所述金屬層的材料為銀。步驟S402，在所述金屬層上刻蝕增益槽。本實(shí)施例中，刻蝕工藝采用干法刻蝕，所述增益槽的寬度為1 1. 5 μ mo步驟s403，在所述增益槽內(nèi)填充增益介質(zhì)和飽和吸收體。本實(shí)施例中，采用甩膠法在所述增益槽內(nèi)填充增益介質(zhì)和飽和吸收體，所述增益介質(zhì)的材料為若丹明，所述飽和吸收體的材料為DODCI。步驟S404，在所述金屬層上刻蝕貫通所述金屬層兩側(cè)的波導(dǎo)凹槽。本實(shí)施例中，刻蝕工藝采用電子束曝光法，所述波導(dǎo)凹槽的寬度為5(T90nm。步驟s405,在所述金屬層上沉積介質(zhì),形成沉積介質(zhì)層。本實(shí)施例中,采用等離子輔助沉積法在所述金屬層上沉積介質(zhì)，形成沉積介質(zhì)層，所述沉積介質(zhì)層的材料為二氧化
硅步驟s406，安裝泵浦光發(fā)射裝置，向所述增益介質(zhì)發(fā)射泵浦光。在上述表面等離子波信號(hào)放大器的制作方法中，各步驟對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品的狀態(tài)圖如圖5所示。其中51為只有基底的狀態(tài)；52為在基底上濺射金屬層后的狀態(tài)；53為在所述金屬層上刻蝕增益槽后的狀態(tài)；54為在所述增益槽內(nèi)填充增益介質(zhì)和飽和吸收體后的狀態(tài)；55為在所述金屬層上刻蝕貫通所述金屬層兩側(cè)的波導(dǎo)凹槽后的狀態(tài)；56為在所述金屬層上沉積介質(zhì)，形成沉積介質(zhì)層后的狀態(tài)。本發(fā)明的SP波信號(hào)放大器是一種可集成的納光子學(xué)器件，能夠?qū)P波導(dǎo)傳輸?shù)腟P波實(shí)現(xiàn)超快信號(hào)放大，從而增加了 SP波的傳播長(zhǎng)度。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了可集成的、具備亞皮秒響應(yīng)時(shí)間、亞波長(zhǎng)尺度的SP波數(shù)字信號(hào)放大器。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和替換，這些改進(jìn)和替換也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種表面等離子波信號(hào)放大器，所述放大器包括基底(I)、金屬層(2)和沉積介質(zhì)層(3)；所述金屬層(2)位于所述基底(I)和沉積介質(zhì)層(3)之間，其頂面與所述沉積介質(zhì)層(3)的底面連接，底面與所述基底(I)的頂面連接；所述金屬層(2)的頂面開(kāi)有貫通兩側(cè)的波導(dǎo)凹槽，所述波導(dǎo)凹槽的寬度為5(T90nm ;所述沉積介質(zhì)層(3)的底面設(shè)置有與所述波導(dǎo)凹槽對(duì)應(yīng)的凸起，所述波導(dǎo)凹槽和凸起形成波導(dǎo)⑷;其特征在于，所述波導(dǎo)(4)的側(cè)壁上開(kāi)有增益槽，所述增益槽的寬度為Γ .5μπι，所述增益槽內(nèi)填充有增益介質(zhì)(6)和飽和吸收體(7)；所述放大器還包括泵浦光發(fā)射裝置(5 )，用于發(fā)射激發(fā)所述增益介質(zhì)(6 )的泵浦光。
2.如權(quán)利要求I所述的表面等離子波信號(hào)放大器，其特征在于，所述波導(dǎo)(4)的另一側(cè)壁上設(shè)置有支節(jié)結(jié)構(gòu)(8 )，所述支節(jié)結(jié)構(gòu)(8 )與所述增益槽相對(duì)。
3.如權(quán)利要求I所述的表面等離子波信號(hào)放大器，其特征在于，所述金屬層(2)的頂面設(shè)置有諧振環(huán)耦合結(jié)構(gòu)(9)，所述諧振環(huán)耦合結(jié)構(gòu)(9)為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，由其尺寸決定的特定波長(zhǎng)的等離子波可通過(guò)所述諧振環(huán)耦合結(jié)構(gòu)(9)實(shí)現(xiàn)耦合。
4.如權(quán)利要求I至3任一項(xiàng)所述的表面等離子波信號(hào)放大器，其特征在于，所述基底 (O的材料為硅，金屬層(2)的材料為銀，沉積介質(zhì)層(3)的材料為二氧化硅、增益介質(zhì)(6) 的材料為若丹明，飽和吸收體的材料為DODCI (二乙基氧雜二羰花青碘化物)。
5.一種表面等離子波信號(hào)放大器的制作方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟Α、在基底上濺射金屬層；B、在所述金屬層上刻蝕增益槽；C、在所述增益槽內(nèi)填充增益介質(zhì)和飽和吸收體；D、在所述金屬層上刻蝕貫通所述金屬層兩側(cè)的波導(dǎo)凹槽；Ε、在所述金屬層上沉積介質(zhì)，形成沉積介質(zhì)層；F、安裝泵浦光發(fā)射裝置，向所述增益介質(zhì)發(fā)射泵浦光。
6.如權(quán)利要求5所述的表面等離子波信號(hào)放大器的制作方法，其特征在于，在所述步驟A中，具體包括采用等離子放電或電子束蒸發(fā)法在所述基底上濺射金屬層，所述基底的材料為硅，所述金屬層的材料為銀。
7.如權(quán)利要求5所述的表面等離子波信號(hào)放大器的制作方法，其特征在于，在所述步驟B中，刻蝕工藝采用干法刻蝕，所述增益槽的寬度為f I. 5μπι。
8.如權(quán)利要求5所述的表面等離子波信號(hào)放大器的制作方法，其特征在于，在所述步驟C中，具體包括采用甩膠法在所述增益槽內(nèi)填充增益介質(zhì)和飽和吸收體，所述增益介質(zhì)的材料為若丹明，所述飽和吸收體的材料為DODCI。
9.如權(quán)利要求5所述的表面等離子波信號(hào)放大器的制作方法，其特征在于，在所述步驟E中，具體包括采用等離子輔助沉積法在所述金屬層上沉積介質(zhì)，形成沉積介質(zhì)層，所述沉積介質(zhì)層的材料為二氧化硅。
10.如權(quán)利要求5至9任一項(xiàng)所述的表面等離子波信號(hào)放大器的制作方法，其特征在于，在所述步驟D中，刻蝕工藝采用電子束曝光法，所述波導(dǎo)凹槽的寬度為5(T90nm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種SP波信號(hào)放大器，包括基底、金屬層和沉積介質(zhì)層；金屬層位于基底和沉積介質(zhì)層之間，其頂面與沉積介質(zhì)層的底面連接，底面與基底的頂面連接；金屬層的頂面開(kāi)有貫通兩側(cè)的波導(dǎo)；波導(dǎo)的側(cè)壁上開(kāi)有增益槽，增益槽的寬度為1~1.5μm，增益槽內(nèi)填充有增益介質(zhì)和飽和吸收體；放大器還包括泵浦光發(fā)射裝置，用于發(fā)射激發(fā)增益介質(zhì)的泵浦光。本發(fā)明還公開(kāi)了一種SP波信號(hào)放大器的制作方法。本發(fā)明能夠?qū)P波導(dǎo)傳輸?shù)腟P波實(shí)現(xiàn)超快信號(hào)放大，從而增加了SP波的傳播長(zhǎng)度。
文檔編號(hào)H01S4/00GK102623887SQ201210064970
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者李志全 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)