一种高效SPP耦合器

本实用新型涉及表面等离激元器件技术领域，尤其涉及一种高效spp耦合器。

背景技术：

表面等离激元(surfaceplasmonpolariton，spp)是由外部电磁场诱导金属结构表面自由电子或束缚电子的集体振荡现象。它能够把入射光局域在金属表面亚波长的区域，突破衍射极限制约，在纳米尺度下实现对光的调制以及增强光与物质的相互作用，对于实现兼具极小特征尺寸和超高传输速度的集成光路具有至关重要的意义。

spp单向耦合器是集成光路的重要元器件之一，通过特殊设计的耦合界面可以把自由空间中传播的光波耦合到等离激元体系中，并转化为方向可控的表面等离激元。然而，如何设计金属微纳结构，从而将光能够高效地耦合至金属微纳结构，从而形成单向传输的spp仍然目前存在的重要问题之一。另外，现有的spp耦合器结构通常制备工艺复杂，对设备条件要求高，成为制约其大规模应用的一个主要因素。因此，降低制作难度也是需要考虑的另一个重要问题。

技术实现要素：

为解决现有技术所存在的技术问题，本实用新型提供一种高效spp耦合器，通过介质薄膜层将非对称金属光栅结构产生的单向传输spp耦合至金属薄膜层，起到防止spp淬灭，提高spp耦合效率的作用。

本实用新型采用以下技术方案来实现：一种高效spp耦合器，包括金属薄膜层、介质薄膜层、介质光栅层、非对称金属光栅结构；金属薄膜层与衬底连接，介质薄膜层分别与金属薄膜层、介质光栅层、非对称金属光栅结构连接。

在优选的实施例中，非对称金属光栅结构为“倒l”形状或“z”字型。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型可实现介质薄膜层将非对称金属光栅结构产生的单向传输spp耦合至金属薄膜层，起到防止spp淬灭，提高spp耦合效率的作用。

2、本实用新型通过对介质薄膜层厚度的设置，使介质薄膜层起到波导的作用，实现spp直接在介质层中传输。

3、本实用新型工艺简单，工艺兼容性高。

附图说明

图1是本实用新型实施例1高效spp耦合器结构图；

图2是本实用新型金属薄膜层将衬底和介质薄膜层隔开示意图；

图3是本实用新型介质薄膜层将金属薄膜层和介质光栅层隔开示意图；

图4是本实用新型实施例2高效spp耦合器结构图；

图中，11是衬底，12是金属薄膜层，13是介质薄膜层，21是介质光栅层，41是非对称金属光栅结构。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施例高效spp耦合器，主要包括：衬底11、金属薄膜层12、介质薄膜层13、介质光栅层21、非对称金属光栅结构41；金属薄膜层12与衬底11连接，介质薄膜层13分别与金属薄膜层12、介质光栅层21、非对称金属光栅结构41连接。

具体地，衬底为石英、云母、pdms、蓝宝石或其他在300-1600nm范围具有高透射率的材料；金属薄膜层将衬底和介质薄膜层隔开，如图2所示；介质薄膜层将金属薄膜层和介质光栅层分隔开，如图3所示；介质薄膜层将金属薄膜层和非对称金属光栅结构隔开，介质薄膜层折射率在1.4至2.5之间。

具体地，介质薄膜层厚度为5-50nm，介质薄膜层将非对称金属光栅结构产生的单向传输spp耦合至金属薄膜层，起到防止spp淬灭，提高spp耦合效率的作用；金属薄膜层厚度为10-100nm，金属薄膜层的作用是承载spp传播的媒介。

介质光栅层中介质的折射率在1.4至1.7之间；光栅周期为300-800nm；优选地，光栅周期为400-600nm。

非对称金属光栅结构为“倒l”形状或“z”字型，非对称金属光栅结构覆盖介质光栅层的一部分；优选地，非对称金属光栅结构金属厚度大于50nm；优选地，非对称金属光栅结构金属厚度在70-150nm之间。

实施例2

如图所示4所示，本实施例高效spp耦合器，主要包括：衬底11、金属薄膜层12、介质薄膜层13、介质光栅层21、非对称金属光栅结构41；金属薄膜层12与衬底11连接，介质薄膜层13分别与金属薄膜层12、介质光栅层21、非对称金属光栅结构41连接。

具体地，衬底为石英、云母、pdms、蓝宝石或其他在300-1600nm范围具有高透射率的材料；金属薄膜层将衬底和介质薄膜层隔开；介质薄膜层将金属薄膜层和介质光栅层分隔开；介质薄膜层将金属薄膜层和非对称金属光栅结构隔开，介质薄膜层折射率在1.4至2.5之间。

具体地，介质薄膜层厚度为300-800nm，若介质薄膜层位于这个范围内，则介质薄膜层起到波导的作用，spp直接在介质层中传输；金属薄膜层厚度为100-200nm，起到限制spp的作用。

介质光栅层中介质的折射率在1.4至1.7之间；光栅周期为300-800nm；优选地，光栅周期为400-600nm。

非对称金属光栅结构为“倒l”形状或“z”字型，非对称金属光栅结构覆盖介质光栅层的一部分；优选地，非对称金属光栅结构金属厚度大于50nm；优选地，非对称金属光栅结构金属厚度在70-150nm之间。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

技术特征：

1.一种高效spp耦合器，其特征在于，包括衬底、金属薄膜层、介质薄膜层、介质光栅层、非对称金属光栅结构；金属薄膜层与衬底连接，介质薄膜层分别与金属薄膜层、介质光栅层、非对称金属光栅结构连接。

2.根据权利要求1所述的高效spp耦合器，其特征在于，所述衬底为石英、云母、pdms或蓝宝石。

3.根据权利要求1所述的高效spp耦合器，其特征在于，金属薄膜层将衬底和介质薄膜层隔开，介质薄膜层将金属薄膜层和介质光栅层分隔开，介质薄膜层将金属薄膜层和非对称金属光栅结构隔开。

4.根据权利要求3所述的高效spp耦合器，其特征在于，所述非对称金属光栅结构为“倒l”形状或“z”字型，非对称金属光栅结构覆盖介质光栅层。

5.根据权利要求3所述的高效spp耦合器，其特征在于，介质薄膜层折射率在1.4-2.5，介质光栅层中介质的折射率在1.4-1.7，光栅周期为300-800nm。

6.根据权利要求3所述的高效spp耦合器，其特征在于，介质薄膜层厚度为5-50nm，则金属薄膜层厚度为10-100nm。

7.根据权利要求3所述的高效spp耦合器，其特征在于，介质薄膜层厚度为300-800nm，则金属薄膜层厚度为100-200nm。

技术总结
本实用新型为一种高效SPP高效耦合器，其耦合器包括衬底、金属薄膜层、介质薄膜层、介质光栅层、非对称金属光栅结构；金属薄膜层与衬底连接，介质薄膜层分别与金属薄膜层、介质光栅层、非对称金属光栅结构连接。本实用新型可实现介质薄膜层将非对称金属光栅结构产生的单向传输SPP耦合至金属薄膜层，起到防止SPP淬灭，提高SPP耦合效率的作用。

技术研发人员：胡晓龙;梁旭;陈冠华
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2020.10.26
技术公布日：2021.07.20