专利名称：基于液晶-金属界面电荷的非线性表面等离子体激元器件的制作方法
技术领域：
本发明属于微纳米光子学领域，尤其涉及一种非线性表面等离子体激元器件。
背景技术：
近几十年来，人们一直努力用光子学集成回路代替集成电路以满足日益增长的信 息交换和处理需求。然而光学衍射极限使得光子学元件的尺寸始终徘徊在微米量级，无法 实现与电子芯片相当的高集成度。表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons，简称 SPPs)是金属与介质界面传播的电磁波与自由电子振荡的耦合模式。它能够把光波限制在 远小于波长的尺度内传播，打破了传统光学的衍射极限，从而实现高集成度的光电子芯片。 此外，金属结构的SPI^s在高灵敏探测、太阳能电池、发光等领域的应用也受到了很大的重 视。人们已经在各种SPI^s元件的研制上取得了很大的进展。人们已经提出并实现了 SPI^s 耦合器、波导、反射镜、分束镜、激光器、放大器和探测器等SPI^s集成元件。然而，在芯片中 实现对SPI^s控制和处理的开关、调制器等主动非线性器件的研究却进展缓慢，这是因为人 们还没有找到在弱光强下具有大的非线性且便于集成的材料以及实现非线性器件的机制。 目前，人们把硅作为集成非线性光学器件的基础展开了大量的研究，已经设计出各种基于 硅的非线性光学元件。这是因为硅可以天然地利用目前成熟的集成电路工艺和生产线。但 是硅材料弱的非线性效应使得这些器件的性能一直难以达到要求。传统的非线性光学材料 例如铌酸锂等无机晶体虽然具有可观的非线性，但是无法与目前的集成电路工艺兼容从 而很难实现集成。另外，人们还尝试利用有机非线性材料与金属的复合结构来实现非线性 SPI^s器件。驱动该类器件工作需要达到瓦级的大输入功率。因此人们迫切的需要寻找在弱 的输入功率下能产生大的非线性效应且便于集成的材料及非线性器件。
发明内容
本发明的目的是，提供了一种新的、基于掺杂电荷产生剂的向列液晶的、能够实现 SPPs的非线性效应的机理和器件结构，可实现非线性SPI^s的输入功率从目前的至少瓦的 量级降低到毫瓦量级，并且提出一种实现基于液晶非线性材料的非线性SPI^s集成方案。本发明的另一目的是，基于上述提出的非线性SPI^s器件，设计实现了 SPI^s双稳器 件。进而可以实现该双稳器件通过外电场来开启和关闭。本发明的原理是，采用向列液晶作为主动工作介质，利用热蒸发镀膜方法制备纳 米厚度的金膜，然后在金膜上制备厚度为几十微米的掺杂电荷产生剂的向列液晶薄膜。在 制备的金膜和向列液晶的界面上可以传播某种特定模式的SPI^s，其中该SPI^s的模式由金 膜的厚度、光学性质以及液晶的光学性质决定；同时，在外加电场作用下或仅在光场作用 下，掺杂电荷产生剂的向列液晶和金膜的界面上会产生界面电荷，界面电荷的密度影响液 晶分子的排列，而液晶分子的排列影响液晶的折射率。由于界面上传播的SPI^s的能量绝 大部分限制在界面附近非常小的范围内，因此在界面上具有很大的强度。该界面上传播的 SPPs能够极大地影响界面电荷的密度，而界面电荷的密度会影响液晶的排列和折射率，液晶折射率的改变会改变SPI^s的传播模式。金膜与向列液晶界面SPI^s非线性产生的过程如下假设在金膜与向列液晶界面 上已经传播着某种强度和模式的SPI^s ；如果此时SPI^s的强度增加，则界面上的电荷密度会 降低，则液晶分子的排列会发生相应的变化，从而改变自身的折射率，而液晶折射率的变化 会导致SPI^s传播模式和强度的变化。SPPs的模式和强度的变化又会导致界面电荷的变化， 从而导致SPI^s模式和强度的变化，这样的相互作用最终达到平衡。通过界面电荷的作用， SPI^s与液晶排列的相互耦合导致的输入与输出关系具有非线性双稳特征。此通过界面电荷 控制向列液晶分子取向进而控制向列液晶折射率的效应具有非常高的光强敏感性，所以该 结构在毫瓦量级的弱耦合输入功率下便可实现非常显著的SPI^s非线性。利用棱镜耦合，便 可实现金膜与液晶界面上传播的SPI^s与空间传输光的相互耦合。通过监测空间输出光的 功率，便可得到SPI^s的非线性和双稳特性。本发明的非线性表面等离子体激元(SPPs)器件的结构是在棱镜底面制备厚度 为纳米级的金膜，在金膜下覆盖掺杂电荷产生剂的液晶层，液晶层位于液晶盒中，液晶盒的 另一底面为覆盖有向列液晶取向膜的导电玻璃基底。该器件能够实现非线性SPI^s在于掺杂的电荷产生剂能够在外加电场的作用下 于金膜-液晶的界面处产生能够响应SPI^s的界面电荷，或者不需要外加电场单是光场可以直接在金膜-液晶的界面处产生能够响应SPI^s的 界面电荷。该器件可以利用空间光通过棱镜在金膜和向列液晶的界面上激发SPPs，该SPI^s 通过表面电荷和向列液晶反馈作用实现的非线性特性可以通过测量棱镜耦合输出的光信 号来获得。实现本发明的制备过程如下1)利用超声波清洗仪将棱镜和导电玻璃基底分别用丙酮和去离子水清洗后，用烘 箱将其烘干；2)利用真空镀膜技术在棱镜底面制备厚度为纳米级的金膜；3)在导电玻璃基底上制备向列液晶取向膜；4)以棱镜底面的金膜和覆盖取向膜的导电玻璃为基底，周围采用聚酯薄膜片制备 成液晶盒；5)将掺杂电荷产生剂的向列液晶和液晶盒加热到向列液晶清亮点温度以上，将向 列液晶灌注到液晶盒中，并将温度缓慢降低到室温。至此该器件即制成。经由以上工序制备而成的棱镜-金膜-向列液晶结构，能够利用空间光通过棱镜 在金膜和向列液晶的界面激发SPI^s，并且该界面上传播的SPI^s的模式可以通过棱镜的反 射信号来获得。界面上传播的SPI^s通过界面电荷与液晶分子的取向相互耦合作用，实现了 界面SPI^s的非线性效应。此外，通过变化输入光强，同时检测反射信号，可以得到由界面处 SPPs的非线性过程而产生的输入/输出双稳曲线。本发明的有益效果是，提供的这种基于界面电荷和向列液晶的非线性SPI^s器件， 能够把产生非线性的输入功率从至少瓦量级降低到毫瓦量级。利用本发明步骤制备的器 件，可以通过衰减全反射的方法激发金膜和向列液晶界面的SPI^s，并可以通过观察衰减全 反射曲线得到SPI^s的非线性特性和双稳特性。不考虑棱镜耦合部分(很难实现集成)，本发明提出的基于液晶和界面电荷的非线性SPI^s的机制和实现方案在未来的集成光电子芯 片中具有实际的应用价值。
附图为支持非线性SPI^s的器件结构示意图1——高折射率棱镜 2——金膜3——向列液晶层4——向列液晶取向膜5——导电玻璃基底 6——聚酯薄膜
具体实施例方式下面结合附图以掺杂电荷产生剂富勒烯C6tl或甲基红的向列液晶为例对本发明作 更详细的描述。实现本发明的非线性表面等离子体激元(SPPs)器件的结构是在棱镜底面制备 厚度为纳米级的金膜，在金膜下覆盖掺杂电荷产生剂的液晶层，例如可以掺杂质量百分比 为万分之一到万分之五的富勒烯C6tl或掺杂质量百分比为千分之一到千分之三十的甲基 红，液晶层位于液晶盒中，液晶盒的另一底面为覆盖有向列液晶取向膜的导电玻璃基底。实现本发明的具体制备过程如下1)利用超声波清洗仪将高折射率棱镜1 (如T^2晶体棱镜，铌酸锂晶体棱镜等)和 导电玻璃基底(如氧化锡铟玻璃基底)5分别用丙酮和去离子水清洗后，用烘箱将其烘干；2)利用热蒸发真空镀膜在棱镜的一个底面制备厚度为30-70纳米，最佳为45纳米 的金膜2 ；3)在导电玻璃基底5上制备向列液晶取向膜4——十六烷基三甲基溴化铵单分子 层；4)以棱镜底面的金膜2和覆盖取向膜4的导电玻璃5为基底，用厚度为几十微米 的聚酯薄膜6做垫片把金膜2和取向膜4隔开，然后用环氧胶将留出几十微米厚间隙的镀 有金膜的棱镜底面和覆盖取向膜的导电玻璃粘合起来制备出液晶盒；5)将富勒烯C6tl以万分之五的质量比或甲基红以到千分之十的质量比加入向列 液晶3(如戊氰基联苯液晶5CB，混合液晶E7)中，在超声波振荡的作用下充分溶解；6)将掺杂电荷产生剂的向列液晶和液晶盒加热到清亮点温度以上，如将5CB加热 到60摄氏度，或将E7加热到85摄氏度，将向列液晶灌注到液晶盒中，并将温度缓慢降低到 室温。
权利要求
1.一种基于液晶-金属界面电荷的非线性表面等离子体激元器件，其特征是在棱镜 底面制备厚度为纳米级的金膜，在金膜下覆盖掺杂电荷产生剂的液晶层，液晶层位于液晶 盒中，液晶盒的另一底面为覆盖有向列液晶取向膜的导电玻璃基底；该器件能够实现非线性SPI^s在于掺杂的电荷产生剂能够在外加电场的作用下于金 膜-液晶的界面处产生能够响应SPI^s的界面电荷，或者不需要外加电场单是光场可以直接在金膜-液晶的界面处产生能够响应SPI^s的界面 电荷。
2.根据权利要求1所述的非线性表面等离子体激元器件，其特征是所述的掺杂电荷 产生剂的液晶层中的电荷产生剂可为掺杂质量百分比为万分之一到万分之五的富勒烯C6tl 或掺杂质量百分比为千分之一到千分之三十的甲基红。
3.根据权利要求1所述的非线性表面等离子体激元器件，其特征是所述的棱镜可为 TiO2晶体棱镜或铌酸锂晶体棱镜。
4.根据权利要求1所述的非线性表面等离子体激元器件，其特征是所述的导电玻璃 基底可为氧化锡铟导电玻璃基底。
5.根据权利要求1所述的非线性表面等离子体激元器件，其特征是所述的向列液晶 可为戊氰基联苯液晶5CB或混合液晶E7。
6.一种基于液晶-金属界面电荷的非线性表面等离子体激元器件的制备方法，其特征 是具体制备过程如下，1)利用超声波清洗仪将棱镜和导电玻璃基底分别用丙酮和去离子水清洗后，用烘箱将 其烘干；2)利用真空镀膜技术在棱镜底面制备厚度为纳米级的金膜；3)在导电玻璃基底上制备向列液晶取向膜；4)以棱镜底面的金膜和覆盖取向膜的导电玻璃为基底，周围采用聚酯薄膜片制备成液晶盒；5)将掺杂电荷产生剂的向列液晶和液晶盒加热到向列液晶清亮点温度以上，将向列液 晶灌注到液晶盒中，并将温度缓慢降低到室温。
7.根据权利要求6所述的非线性表面等离子体激元器件制备方法，其特征是所述的 利用真空镀膜技术制备的金膜，其厚度为30-70纳米，最佳为45纳米。
8.根据权利要求6所述的非线性表面等离子体激元器件制备方法，其特征是所述的 往液晶盒中灌注向列液晶时需要将掺杂电荷产生剂的向列液晶和液晶盒加热到清亮点温 度以上，即可将5CB加热到60摄氏度，或将E7加热到85摄氏度。
全文摘要
一种基于液晶-金属界面电荷的非线性表面等离子体激元器件，属于微纳米光子学技术领域。解决了在毫瓦量级的输入功率下实现非线性SPPs(表面等离子体激元)问题，并提出了一种基于掺杂电荷产生剂的液晶非线性材料的非线性SPPs集成的技术方案。该器件能够利用空间光通过棱镜在金膜和向列液晶的界面上激发SPPs，该SPPs通过界面电荷和向列液晶反馈作用实现的非线性特性可以通过测量棱镜耦合输出的光信号来获得。本发明提出的基于界面电荷和向列液晶的非线性SPPs的机制和实现方案在未来的集成光电子芯片中具有实际的应用价值。
文档编号G02F1/35GK102135695SQ201010608279
公开日2011年7月27日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者刘海, 姚凤凤, 孙秀冬, 裴延波 申请人:哈尔滨工业大学