一种反射式等离子体纳米结构光开关及其制备方法与流程

本发明涉及到光电技术领域，具体的说是一种反射式等离子体纳米结构光开关及其制备方法。

背景技术：

光开关是一种对光信号进行开关转换的器件，它能够对光纤或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作，在光学网络中有着至关重要的作用。由于效率高、噪声小，基于非线性光学效应的光开关获得广泛而深入的研究，但材料的非线性效应要求外加高功率的光源（交叉泵浦）或者高强度的信号光源（自泵浦），因此严重地限制了其在实际应用中的推广。

电磁诱导透明（Electromagnetically Induced Transparency, EIT）是原子系统在光场作用下原子发生能级跃迁时其不同激发路径之间相消干涉的一种量子效应。由于EIT在透明频谱区域具有尖锐的正常光谱色散，电磁诱导透明效应被广泛用于慢光、传感、开关等光信息处理领域（Harris et al., Phys. Today, Vol. 50, pp. 36, 1997）。2008年，Zhang等人在理论上提出利用具有不同阻尼因子的金属纳米结构（等离子体耦合共振器）来实现类EIT效应（Zhang et al., Phys. Rev. Lett. Vol. 101, pp. 047401, 2008），随后Liu等人利用纳米制备技术从实验上证实了这一效应（Liu et al., Nat. Mater. Vol. 8, pp. 758-762, 2009）。不同等离子体共振器的近场耦合替代了原子系统中的泵浦场，消除了原子系统中实现EIT效应的苛刻实验条件，降低了电磁诱导透明效应在光学器件应用中的门槛。最近有人提出一种基于等离子体EIT效应的竖直堆垛金属纳米线结构的透射式光开关，利用改变普克尔斯盒的加载电压控制入射光的偏振，从而实现对透射光一开一关的超快主动控制（申请号：CN 102466899）。但是，由于阻抗不匹配，在界面处会有反射带来能量损耗，导致这种透射式光开关的消光比不高（即透过率低），而且这种竖直堆垛式结构要求制备方法复杂，制备条件苛刻（Liu et al., Nat. Mater. Vol. 8, pp. 758-762, 2009）。

技术实现要素：

为解决现有透射式光开关消光比低等问题，本发明提供了一种反射式等离子体纳米结构光开关及其制备方法，该光开关基于一种平面等离子体纳米结构的等离子体诱导反射（Plasmon-Induced Reflectance, PIR）效应，实现了利用入射光偏振来控制光开关的打开和关闭，从而避免了现有透射式光开关存在的消光比低的问题。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种反射式等离子体纳米结构光开关，包括用于改变入射光偏振方向的偏振调制器件和等离子体纳米结构，所述等离子体纳米结构包括底层的金属薄膜、中间层的电介质薄膜和分布在电介质薄膜上表面的若干金属纳米环，且金属纳米环对称分布并形成周期排布的金属纳米环阵列，所述金属纳米环阵列在一个方向上的排列周期为金属纳米环共振波长的0.92~0.97倍，而在与该方向垂直的另外一个方向上的排列周期小于等于金属纳米环共振波长的0.8倍或大于等于金属纳米环共振波长的1.15倍。

所述金属薄膜和金属纳米环的材质为贵族金属，如金、银或铜等。

所述电介质薄膜的材质为介电材料，如二氧化硅、氧化铝或氧化镁等。

所述金属纳米环的内径为80nm，壁厚为40nm，金属纳米环在相互垂直的两个方向的周期分别为900nm和1250nm，金属纳米环阵列的厚度为40nm，电介质薄膜的厚度为60nm，金属薄膜的厚度为200nm。

所述用于改变入射光偏振方向的偏振调制器件为普克尔斯盒、TN液晶盒或法拉第盒。

所述等离子体纳米结构光开关的制备方法，首先制备出等离子体纳米结构，然后将其与用于改变入射光偏振方向的偏振调制器件组合即得到该产品，等离子体纳米结构的制备方法为，首先取基底层，并在基底层上依次沉积金属薄膜和电介质薄膜，然后在电介质层上利用电子束刻蚀方法（electron beam Lithography, EBL）制备出一层金属纳米环阵列，即得到等离子体纳米结构。

所述金属薄膜和电介质薄膜的沉积采用物理气相沉积方法。

所述利用电子束刻蚀方法制备金属纳米环阵列的具体操作为：

1）在电介质薄膜上表面旋涂PMMA，以形成一层电子抗蚀剂层；

2）在电子抗蚀剂表面旋涂导电液后，利用电子束刻蚀出所需的纳米环结构阵列图案，除去导电液，得到图案化的电子抗蚀剂；

3）以图案化的电子抗蚀剂为掩膜版，在其上沉积一层金属薄膜；

4）除去电子抗蚀剂，从而使沉积的金属薄膜变为金属纳米环阵列。

本发明涉及到的等离子体纳米结构，在x-偏振光入射下纳米环产生具有电偶极子辐射特征的局域表面等离子体共振（Localized surface plasmon resonance, LSPR）光谱响应；同时，LSPR在底部金属层产生镜像作用，导致一种具有磁偶极子辐射特征的共振模式激发，这两种共振模式的近场发生耦合，导致入射光全部耦合到等离子体纳米结构中，无反射光被探测（反射率R < 8%）。

在相同波长的y-偏振光入射下，由于纳米环阵列在该方向上的排列周期与纳米环结构LSPR共振波长近似相等，从而满足动量匹配条件，导致沿着底部金属膜表面传播的非局域型等离子体模式（surface plasmon polariton, SPP）激发，相比LSPR模式，SPP具有低辐射损耗特性。两个模式的共振波长在频域交叠，二者之间的相消干涉导致PIR效应出现，以至于入射光几乎全部被等离子体纳米结构反射（反射率R > 95%）。

所述等离子体纳米结构，在y-偏振光入射下，两个共振模式发生相消干涉，PIR效应发生，导致入射光几乎全部被反射，实现了对光开关“开”状态的控制；当调控偏振方向到x-偏振时，PIR效应消失，同时由于LSPR在金属膜中的镜像作用，导致入射光全部耦合到中间介电层，无反射光出现，实现对光开关“关”状态的控制。

与现有透射式光开关相比，本发明具有如下有益效果：

1）本发明利用由金属薄膜、电介质薄膜和金属纳米环阵列形成的平面等离子体纳米结构，在入射光以不同偏振方向照射到该等离子体纳米结构上时，能够被全部反射或全部吸收，从而形成对反射光“开”或“关”控制；

2）本发明通过对等离子体纳米结构反射光的检测完成光开关的“开”和“关”两种状态，相比较于透射式光开关消光比不高的问题，本发明具有更大的消光比系数(>11)，且平面等离子体纳米结构易于制备，方便集成到光学回路，可广泛应用于鼠标、打印机、复印机、开关扫描仪、软盘驱动器、非接触式开关直接板、感应洁具以及感应水龙头等场合。

附图说明

图1为本发明所涉及的等离子体纳米结构的结构示意图；

图2为本发明所涉及的等离子体纳米结构在不同偏振光入射下的反射光谱；

图3为普克尔斯盒的结构示意图；

图4为本发明光开关“关”状态的示例图；

图5为本发明光开关“开”状态的示例图；

图中标记：1、金属薄膜层，2、电介质薄膜层，3、金属纳米环阵列，301、纳米环，4、偏振调制器件，5、等离子体纳米结构，E(x)表示入射光的电场方向沿x轴，H(y)表示入射光的磁场方向沿y轴，K(z)表示入射光的传播方向沿z轴，P_x表示纳米环在x轴方向上的排列周期，P_y表示纳米环在y轴方向上的排列周期，x表示x轴方向，y表示y轴方向，z表示z轴方向。

具体实施方式

本发明涉及到一种反射式等离子体纳米结构光开关及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对该发明做进一步说明。

一种反射式等离子体纳米结构光开关，包括用于改变入射光偏振方向的偏振调制器件4和等离子体纳米结构5，所述等离子体纳米结构5包括底层的金属薄膜1、中间层的电介质薄膜2和周期性分布在电介质薄膜2上表面的若干金属纳米环301，且金属纳米环301对称分布并形成周期排布的金属纳米环阵列3，所述金属纳米环阵列3在一个方向上的排列周期为金属纳米环301共振波长的0.92~0.97倍，而在与该方向垂直的另外一个方向上的排列周期小于等于金属纳米环301共振波长的0.8倍或大于等于金属纳米环301共振波长的1.15倍；

上述反射式等离子体纳米结构光开关的制备方法，首先制备等离子体纳米结构5，然后将其与用于改变入射光偏振方向的偏振调制器件4组合即得到产品，所述等离子体纳米结构5的制备方法为：取一基底层，并在基底层上依次沉积一层金属薄膜1和一层电介质薄膜2，然后在电介质薄膜2上利用电子束刻蚀方法制备出金属纳米环阵列3，即得到等离子体纳米结构。

以上为本发明的基本实施方式，可在以上基础上做进一步的优化、改进和限定：

如，所述金属薄膜1和金属纳米环301的材质为贵族金属，如金、银或铜等；

又如，所述电介质薄膜2的材质为介电材料，如二氧化硅、氧化铝或氧化镁等；

再如，所述金属纳米环301的内径为80nm，壁厚为40nm，金属纳米环301在相互垂直的两个方向的周期分别为900nm和1250nm，金属纳米环阵列3的厚度为40nm，电介质薄膜2的厚度为60nm，金属薄膜1的厚度为200nm；

再如，所述用于改变入射光偏振方向的偏振调制器件4为普克尔斯盒、TN液晶盒或法拉第盒；

又再如，所述金属薄膜1和电介质薄膜2的沉积采用物理气相沉积方法；

最后，所述利用电子束刻蚀方法制备金属纳米环阵列的具体操作为：

1）在电介质薄膜2的上表面旋涂PMMA，以形成一层电子抗蚀剂层；

2）在电子抗蚀剂表面旋涂导电液后，利用电子束刻蚀出所需的纳米环结构阵列图案，除去导电液，得到图案化的电子抗蚀剂；

3）以图案化的电子抗蚀剂为掩膜版，在其上沉积一层金属薄膜；

4）除去电子抗蚀剂，从而使沉积的金属薄膜变为金属纳米环阵列3。

下面结合具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的阐述。

利用有限元电磁仿真软件Comsol Multiphysics的RF模块模拟等离子体纳米结构的光学性能。仿真模型中，构建一个结构单元，通过在x-y平面设置周期性边界条件来模拟整个结构阵列。其中，平面电磁波沿z轴方向垂直入射到结构上，电磁波偏振方向沿x轴或y轴（如图1所示），并且在传播方向设置完美匹配层（PML）以用于消除非物理的边界反射。

所述等离子体纳米结构的几何尺寸具体如下：金属纳米环301的内径为R₁ = 80nm，外径为R₂ = 120nm，其在相互垂直的两个方向上的排列周期分别为P_x = 900nm和P_y = 1250nm，金属纳米环301的厚度为H₁ = 40nm，电介质薄膜2的厚度为H₂ = 60nm，金属薄膜1的厚度为H₃ = 200nm。

所述等离子体纳米结构中金属材料选用贵金属金（Au），其在不同波段下的介电系数选自于实验数据（Johnson et al., Physical review B, 1972, 6(12): 4370）；中间层的电介质薄膜2的材料选用二氧化硅（SiO₂），其介电系数取ε = 2.25。

所述等离子体纳米结构在不同偏振光垂直入射下的反射光谱如图2所示。在x-偏振光激发下，位于λ = 1324nm附近的入射光几乎全部被耦合到等离子体纳米结构中，无反射光被探测；当改变光偏振沿y-轴方向时，相同波长的入射光几乎全部被反射（反射率R > 95%）。

所述用于改变入射光偏振方向的普克尔斯盒的示意图如图3所示，可通过改变其加载电压来调控透过普克尔斯盒的入射光的偏振方向。

本发明光开关的示例图如图4和图5所示，其中把普克尔斯盒放置于等离子体纳米结构的前端。当普克尔斯盒上没有加载电压时，透过普克尔斯盒的激发光的偏振方向仍沿x轴方向，此时无反射光，相当于光开关的“关”状态；当加载电压为V_g时，透过普克尔斯盒的激发光的偏振方向改变为沿y轴方向，此时入射光几乎被全部反射，相当于光开关的“开”状态。

本实施例中等离子体纳米结构的制备方法，可采用下列步骤：

（1）采用玻璃作为基底层，洁净处理后，在基底层上利用直流磁控溅射技术依次气相沉积金薄膜和二氧化硅薄膜，具体操作为：

a.所用工作气体为纯氩气（Ar），靶材为高纯度的金，基片与靶材的距离约为140mm，镀膜时基片温度为室温。首先抽真空，当本底真空为1.8×10^-3 Pa，真空室气压为0.3Pa时，打开直流电源开始溅射。电压为320V，电流为0.05A，金薄膜沉积速率约为2.06nm/min，沉积时间约为97min；

b.选用上述步骤（1）制备的金薄膜为基底，在基底上溅射二氧化硅薄膜。靶材为高纯度的单晶硅，工作气体为高纯氩气，反应气体为高纯氧气，本底真空为3.0×10^-3Pa，工作气压为1.2Pa，氧含量为40%，溅射功率为80W，SiO₂薄膜沉积速率约为5nm/min，沉积时间约为12min；

（2）把步骤（1）制备的样品作为基底，利用电子束刻蚀技术在其上刻蚀金属纳米环阵列，具体操作为：

a.在Au/SiO₂薄膜的电介质上表面旋涂40nm厚的PMMA（正电子抗蚀剂）；

b.利用电子束（电流约为1.98nA） 在PMMA上刻蚀出纳米环阵列结构，其中环的内径和外径分别为80nm和120nm，排列周期分别为900nm和1250nm；

c.洁净处理并用N₂烘干后，首先利用CVC电子蒸发器沉积一层铬作为粘连层，然后再沉积一层金；

d.去除电子抗蚀剂，得到Au纳米环/SiO₂/Au膜等离子体结构。

除以上实施例外，可在其基础上做进一步的改进、优化和限定：

如，所述金属薄膜1和金属纳米环3的材质还可以选银或铜等贵族金属；

又如，所述电介质薄膜2的材质也可以选氧化铝或氧化镁等介电材料；

又如，所述等离子体纳米结构5的几何参数，包括纳米环301的内径、外径、排列周期、厚度以及中间层电介质薄膜和底层金属膜的厚度，可以根据实际需要的等离子体光开关的响应波长进行调节；

再如，所述用于改变入射光偏振方向的偏振调制器件4不仅限于普克尔斯盒，也可以为TN液晶盒、法拉第盒等；

再如，制备所述金属薄膜1和电介质薄膜2也可以采用化学气相沉积法制备；

再如，所述制备金属纳米环阵列3的方法不仅限于电子束刻蚀方法，也可以采用聚焦离子束刻蚀技术（focused ion beam, FIB）、纳米压印技术等方法。