基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关的制作方法

本发明涉及微纳光子器件领域，特别是一种基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关。

背景技术：

随着社会发展，电子器件已经很难满足人们对信息传输速度和存储量的需求。由于表面等离子体（surfaceplasmons,sps）具有亚波长、电场局域以及局域场增强的特优良性，利用表面等离子体可以解决目前存在的衍射极限问题，使得光子器件能够小型化和集成化，极大扩展了光子器件在信息传输领域的应用。且表面等离子体光开关是通过控制外部因素改变开关中sps的激发或传输，进而调控光的有无强弱，从而实现对光的开关操作，相对于传统的光开关，表面等离子体光开关可在小于衍射极限尺度内实现对光的控制，进而在纳米尺度上实现光开关的集成。

近年来，随着各种微纳制备技术的日渐成熟，众多表面等离子体光开关被先后实现。例如，palar.a.等在电介质基底上的金属薄膜表面添加光致变色分子层，并在金属薄膜中设置两个光栅，利用泵浦光照射光致变色分子层实现表面等离子体激元波导光开关。veronisg等通过在波导中设置半导体增益介质矩形腔，实现由外界泵浦光控制金属-空气-金属波导表面等离子体光开关。中国发明专利zl201710497191.0公开了一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关。然而上述现行的表面等离子体光开关存在结构复杂集成难度大，在纳米尺度下的制作精度增加了制作难度；并且由于需要外界泵浦光控制存在泵浦光对信号光及后续光路的干扰；另外，表面等离子体光开关的开关比低，不超过10db，使得表面等离子体光开关损耗较大，影响表面等离子体光开关的整体性能参数。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关，该表面等离子体光开关结构简单、易于制作，无泵浦光干扰，并且具有较高的开关比，能够应用于可见光波段和近红外波段的表面等离子体光开关。

本发明的技术方案是：基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关，是由电介质基底和金属薄膜组成的微纳结构，金属薄膜设置于电介质基底的正上方，金属薄膜上设有复数个圆环-狭缝单元，复数个圆环-狭缝单元周期性阵列排布于金属薄膜上，圆环-狭缝单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆环和一个贯穿金属薄膜厚度方向且垂直于横向阵列周期方向的矩形狭缝，矩形狭缝位于圆环内，矩形狭缝的中心与圆环的圆心重合。

本发明进一步的技术方案是：所述电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯，所述电介质基底的厚度为150nm～250nm；所述金属薄膜的材料为银或金，所述金属薄膜的厚度为50nm～100nm。

本发明再进一步的技术方案是：所述圆环-狭缝单元的数量不小于9，复数个圆环-狭缝单元排列形成的阵列的形状为正方形或长方形，复数个圆环-狭缝的排列周期为500nm～800nm。

本发明更进一步的技术方案是：所述圆环的内圆半径为100～150nm，圆环的宽度为25～55nm；所述狭缝的长度为100～250nm，宽度为25～60nm；狭缝的长度小于圆环的内圆直径。

本发明与现有技术相比具有如下特点：

1、本发明的表面等离子体光开关仅由电介质基底和具有孔阵列的金属薄膜组成，尺寸小，结构简单且易于制作。

2、本发明的表面等离子体光开关只需改变入射光的偏振方向，便能有效控制可见光波段和近红外波段光的开关，扩大了表面等离子体光开关的应用场所和适应范围，且操作方便，无泵浦光对信号光及后续光路的干扰。

3、本发明的表面等离子体光开关通过改变入射光的偏振方向，能够有效地调节表面等离子体光开关的开关比，使得表面等离子体光开关具有较高的开关比，有效降低表面等离子体光开关的能耗，提高表面等离子体光开关的使用性能。

以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为圆环-狭缝单元的二维侧视剖面示意图；

图3为圆环-狭缝单元的截面图；

图4为本发明实施例一在可见光波段的透过率谱；

图5为本发明实施例一在近红外波段的透过率谱；

图6为本发明实施例二在可见光波段的透过率谱；

图7为本发明实施例二在近红外波段的透过率谱；

图8为本发明实施例三在可见光波段的透过率谱；

图9为本发明实施例三在近红外波段的透过率谱；

图10为本发明实施例四在光通信波段下的透过率谱。

具体实施方式

实施例一，如图1所示，基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关，是由电介质基底1和金属薄膜2组成的微纳结构，金属薄膜2设置于电介质基底1的正上方。

所述电介质基底的电介质材料为石英，石英的厚度为150nm。电介质基底的电介质材料也可以是其他适合加工的任何电介质，例如苯并环丁烯等。

所述金属薄膜的材料为金，设置金属薄膜的材料金的厚度为50nm。金属薄膜的材料也可以是其他能产生表面等离子体的金属，例如银等。

金属薄膜2上设有9个圆环-狭缝单元3，9个圆环-狭缝单元3周期性阵列排布于金属薄膜2上，9个圆环-狭缝单元3按照3×3的方式呈正方形排列于电介质基底1上，其排列周期为600nm。

圆环-狭缝单元3包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆环3.1和一个贯穿金属薄膜厚度方向且垂直于圆环-狭缝单元3的横向阵列周期方向的矩形狭缝3.2，矩形狭缝3.2位于圆环3.1内且矩形狭缝3.2的中心与圆环3.1的圆心重合。所述圆环3.1的内圆半径为100nm，圆环3.1的宽度为25nm，即圆环3.1的外圆半径为125nm。狭缝3.2的长度为150nm，宽度为30nm。

将该基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关界定于x、y、z笛卡尔正交坐标系，其中x轴、z轴分别为横向阵列周期方向、纵向阵列周期方向，y轴垂直于x、z轴构成的平面，k为入射光，l为透射光，e为入射光的电场强度方向。入射光k从电介质基底1方向垂直入射到金属薄膜2的底侧，并从金属薄膜2的另一侧透射出来形成透射光l，当入射光k的偏振方向沿x轴方向时，该表面等离子体光开关处于“开”状态；当入射光k的偏振方向沿z轴方向时，该表面等离子体光开关处于“关”状态。改变入射光k的偏振方向，是本领域的公知技术。

另外，本领域技术人员可知，入射光k的偏振方向沿着x轴方向，即矩形狭缝3.2的长度方向垂直于入射光k的偏振方向分布时，矩形狭缝3.2产生表面等离子体（surfaceplasmonpolariton,spp）共振，在透射光l传输谱的可见光波段（波长为400nm～750nm）能够观测到spp共振现象。入射光k的偏振方向沿着z轴方向，即矩形狭缝3.2的长度方向平行于入射光k的偏振方向分布时，矩形狭缝3.2不能激发spp共振。透射光l传输谱的可见光波段（波长为400nm～750nm），无论入射光k的偏振方向为哪个方向，圆环3.1都有spp共振，但是这种spp共振非常微弱，不足以影响表面等离子体开关效果。

入射光k的偏振方向沿着x轴方向，当矩形狭缝3.2的长度方向垂直于入射光k的偏振方向分布时，矩形狭缝3.2的局域表面等离子体（localizedsurfaceplasmon,lsp）共振最强，在透射光l传输谱的近红外波段（波长为750nm～1600nm）能够观测到lsp共振现象；当矩形狭缝3.2的长度方向平行于入射光k的偏振方向分布时，矩形狭缝3.2不存在lsp共振。无论入射光k的偏振方向为哪个方向，在这波段圆环3.1几乎不形成lsp共振。

如图1所示，入射光k从电介质基底1方向垂直入射到金属薄膜2的底侧，在金属薄膜2的圆环-狭缝单元3产生表面等离子体效应，并从金属薄膜2的另一侧透射出来。改变入射光k的偏振方向，进而控制圆环-狭缝单元3内矩形狭缝3.2是否发生spp或lsp共振，从而使基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关结构上周期性阵列排布的复数个圆环-狭缝单元3在可见光波段和近红外波段的透射率发生改变，实现基于表面等离子体在可见光波段和近红外波段的光开关操作。图4-5分别示出了在可见光波段透射率谱和近红外波段透射率谱。从图4中能看出此时可见光波段的开关波长λ0为619nm，光开关处于开状态时λ0处的透射峰值ton为0.5824，光开关处于关状态时λ0处的透过率toff仅为0.05716，开关比=10lg(ton/toff)=10.08db；此时表面等离子体的光开关的单位时间内储存的总能量与单位时间内损耗的能量比值即品质因数q约等于30。从图5中能看出此时近红外波段的开关波长λ0为1064nm，光开关处于开状态时λ0处的透射峰值ton为0.3978，光开关处于关状态时λ0处的透过率toff仅为0.01057，开关比=10lg(ton/toff)=15.6db。

实施例二，实施例二与实施例一的结构类似，区别在于：电介质基底1的材料为石英，厚度为225nm；金属薄膜2的材料为银，厚度为55nm。圆环-狭缝单元3的排列周期为700nm，狭缝的长度和宽度分别为100nm和25nm，圆环的内半径和外半径分别为120nm和175nm。图6-7分别示出了实施例二的表面等离子体光开关在可见光波段透射率谱和近红外波段透射率谱。从图6中能看出此时可见光波段的开关波长λ0为631nm，光开关处于开状态时λ0处的透射峰值ton为0.5697，光开关处于关状态时λ0处的透过率toff仅为0.05596，开关比=10lg(ton/toff)=10db；此时表面等离子体的光开关的单位时间内储存的总能量与单位时间内损耗的能量比值即品质因数q约等于31。从图7中能看出此时近红外波段的开关波长λ0为1087nm，光开关处于开状态时λ0处的透射峰值ton为0.4986，光开关处于关状态时λ0处的透过率toff仅为0.0119，开关比=10lg(ton/toff)=16.23db。

实施例三，实施例三与实施例一的结构类似，区别在于：电介质基底1的材料为石英，厚度为250nm；金属薄膜2的材料为银，厚度为100nm。圆环-狭缝单元3的排列周期为800nm，狭缝的长度和宽度分别为250nm和60nm，圆环的内半径和外半径分别为150nm和200nm。图8-9示出了实施例三的表面等离子体光开关在可见光波段透射率谱和近红外波段透射率谱。从图8中能看出此时可见光波段的开关波长λ0为640nm，光开关处于开状态时λ0处的透射峰值ton为0.5536，光开关处于关状态时λ0处的透过率toff仅为0.05418，开关比=10lg(ton/toff)=10.09db；此时表面等离子体的光开关的单位时间内储存的总能量与单位时间内损耗的能量比值即品质因数q约等于32。从图9中能看出此时近红外波段的开关波长λ0为1092nm，光开关处于开状态时λ0处的透射峰值ton为0.5366，光开关处于关状态时λ0处的透过率toff仅为0.0126，开关比=10lg(ton/toff)=16.29db。

实施例四，实施例四与实施例一的结构类似，区别在于：电介质基底1的材料为石英，厚度为225nm；金属薄膜2的材料为银，厚度为50nm。圆环-狭缝单元3的排列周期为600nm，狭缝的长度和宽度分别为100nm和25nm，圆环的内半径和外半径分别为121nm和175nm。图10示出了实施例四在光通信环境下使用时的透射率谱。从图10中能看出此时可见光波段的开关波长λ0为1310nm，光开关处于开状态时λ0处的透射峰值ton为0.9154，光开关处于关状态时λ0处的透过率toff仅为0.01518，开关比=10lg(ton/toff)=17.8db，由此可知该实施例的表面等离子体光开关实现了对近红外波段1310nm光的开关操作，表明该实施例的表面等离子体光开关能够在光通信领域进行应用。

对比实验：

为进一步对比基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列表面等离子体光开关的性能，在可见光波段和近红外波段下，对现有技术的基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列表面等离子体光开关和基于周期性圆四尖端孔阵列表面等离子体光开关，分别在它们开状态下的品质因数和开关比进行实验对比。对比结果如下表1所示。

表1两种类型表面等离子体光开关的对比分析结果

由表1分析能够知道，基于周期性圆四尖端孔阵列表面等离子体光开关在可见光波段（500nm～750nm）没有光开关的能力，而基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列表面等离子体光开关具有高品质因数且具有较高开关比的光开关能力。在近红外波段（750nm～1600nm）,基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列表面等离子体光开关相较于基于周期性圆四尖端孔阵列表面等离子体光开关，其品质因数高了近7，开关比高了近6db，大大提高了光开关的性能参数。同时基于周期性圆四尖端孔阵列表面等离子体光开关在微纳领域制作非常复杂，对光刻机的精度需要很高的要求，而基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列表面等离子体光开关在形状上的制作相对比较容易，且对设备的要求不高。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。