的出射光图像的放大图；
[0049]附图5g_i是基于有限元方法模拟的与实验制备器件对应的纳米带内光波导电场强度分布图；
[0050]附图6.相同排数的Au纳米圆盘阵列的纳米带端部出射的光点数随着多光束干涉距离改变而变化的实验结果图；
[0051]其中
[0052]图6a为3排Au纳米圆盘阵列的光波导分束器末端的SEM图(Au纳米圆盘阵列到半导体层端部的距离为1.5 μ m)，其比例尺为3 μ m ;图6b为图6a所对应的光波导分束器在SNOM下，用488nm波长的激光局域激发相应的器件的暗场光波导照片(比例尺为3 μ m)，插图为相应的光波导分束器末端的出射光图像的放大图；
[0053]图6c为3排Au纳米圆盘阵列的光波导分束器末端的SEM图(Au纳米圆盘阵列到半导体层端部的距离为2.2 μ m)，其比例尺为3 μ m ;图6d为图6c所对应的光波导分束器在SNOM下，用488nm波长的激光局域激发相应的器件的暗场光波导照片(比例尺为3 μ m)，插图为相应的光波导分束器末端的出射光图像的放大图；
[0054]图6e为3排Au纳米圆盘阵列的光波导分束器末端的SEM图(Au纳米圆盘阵列到半导体层端部的距离为4.2 μ m)，其比例尺为3 μ m ;图6f为图6e所对应的光波导分束器在SNOM下，用488nm波长的激光局域激发相应的器件的暗场光波导照片(比例尺为3 μ m)，插图为相应的光波导分束器末端的出射光图像的放大图。
[0055]从图1中可以看出本发明所设计的光波导分束器的结构。
[0056]从图2中可以看出制备的光波导分束器的结构参数与设计的结构参数基本一致。
[0057]从图3可以看出这种CdS纳米带-HfO2介电层-Au纳米圆盘阵列复合纳米结构的光波导分数功能，即这种对于这种复合纳米结构，光在单根纳米带中的传播相当于多束光在多通道的光学微腔中传播。
[0058]结合图4a、图4b可以看出实验上依据理论设计的参数值所制备的光波导分束器确实能实现光波导分束功能。
[0059]结合图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f可以看出纳米带端部出射的光点数可由调Au纳米圆盘阵列排数调控，结合图5g、图5h、图5i当光传播至没有Au纳米圆盘阵列的位置时，由于没有了 Au纳米圆盘阵列的限制，多光束之间会发生干涉。
[0060]结合图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f可以看出:对于相同排数的Au纳米圆盘阵列，纳米带端部出射的光点数还可以由多光束之间的干涉距离调控。
【具体实施方式】
[0061]现结合附图对本发明作进一步描述:
[0062]实施例1
[0063]步骤一
[0064]用化学气相合成法(CVD)制备高结晶质量、形貌规整的厚度约为10nm的CdS纳米带，所用原料为商业高纯(99.9% )CdS粉末，以高纯(98% )H2气为载气，流速为2sccm，沉积温度为810°C。
[0065]步骤二
[0066]将制得的纳米带分散在实现清洁干净的Si/Si02 (200nm)衬底上，用原子层沉积法(ALD)在分散的CdS纳米带上覆盖一层15nm厚!1?)2介电层。
[0067]步骤三
[0068]再在包覆了 11?)2介电层的CdS纳米带上用电子束曝光设备通过电子束的高能量分解前驱物(聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA))的方法制备直径为300nm、周期为600nm的纳米圆洞阵列结构。
[0069]步骤四
[0070]通过蒸发式真空镀膜机以Au为蒸发源，在制备有纳米圆洞阵列的样品表面镀一层厚度为50nm的Au膜，将多余的Au膜与前驱物一起剥离即制备出Au纳米圆盘阵列结构。
[0071]所得CdS纳米带-HfO2介电层-Au纳米圆盘阵列复合纳米结构的整体形貌如图1的SEM表征所示。相应的AFM图片(图2)表明实验制备的光波导分束器的结构参数与设计的结构参数基本一致。图3是基于有限元方法模拟的器件内光波导电场强度分布图，可以比较直观地说明这种CdS纳米带-HfO2介电层-Au纳米圆盘阵列复合纳米结构的光波导分数功能，即这种对于这种复合纳米结构，光在单根纳米带中的传播相当于多束光在多通道的光学微腔中传播，当光传播至没有Au纳米圆盘阵列的位置时，由于没有了 Au纳米圆盘阵列的限制，多光束之间会发生干涉。图4a是光学显微镜下用钨灯宽照一个代表性的光波导分束器的暗场散射图片，图4b是在SNOM下，用488nm波长的激光局域激发该器件的暗场光波导照片，插图是纳米带端部出射光图片的放大图，可以清晰地看见相对于单独的CdS纳米带，该复合结构中的纳米带端部的出射光出现了分点现象，说明该结构确实具有光分束作用。图5a-f是纳米带端部出射的光点数随着Au纳米圆盘阵列排数改变的实验结果图，将此复合结构的Au纳米圆盘阵列排数依次按照2，3，4改变证明纳米带端部出射的光点数可由调Au纳米圆盘阵列排数调控，图5g-1是基于有限元方法模拟的相应尺寸的器件内光波导电场强度分布图，发现与实验结果相符，并可以清晰的地看见多光束在传播致没有Au纳米圆盘阵列的位置时将产生干涉现象，且不同的距离会产生不同的干涉现象。图6是相同排数的Au纳米圆盘阵列的纳米带端部出射的光点数随着多光束干涉距离改变的实验结果图，三个代表性的样品的多光束干涉距离分别为1.5 μ m，2.2 μ m，4.2 μ m，纳米带端部出射的光点数也不同，说明对于相同排数的Au纳米圆盘阵列，纳米带端部出射的光点数还可以由多光束之间的干涉距离调控。
【主权项】
1.一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，其特征在于:包括半导体层、介电层、纳米金属颗粒层，所述介电层位于半导体层与纳米金属颗粒层之间；所述纳米金属颗粒层按圆盘阵列结构分布在介电层上；所述半导体层的厚度为10-120nm;介电层的厚度为5-20nmo
2.根据权利要求1所述的一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，其特征在于:所述半导体层为CdS半导体纳米带。
3.根据权利要求2所述的一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，其特征在于:CdS半导体纳米带的厚度为20-110nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，其特征在于:介电层为HfOJl。
5.根据权利要求4所述的一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，其特征在于:所述HfO2层的厚度为5-15nm。
6.根据权利要求1所述的一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，其特征在于:所述纳米金属颗粒层为Au纳米颗粒层；所述金属纳米颗粒层中，单颗纳米颗粒呈圆柱状。
7.—种制备如权利要求1-6任意一项所述基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器的方法，其特征在于包括下述步骤: 步骤一 用化学气相沉积法制备、厚度为10-120nm的半导体纳米带； 步骤二 将步骤一制得的半导体纳米带分散在清洁干净的Si/Si02衬底上，用原子层沉积法在分散的半导体纳米带上覆盖一层厚度为5-20nm的介电层； 步骤三 在步骤二所得带有介电层的半导体纳米带上涂覆一层前驱物膜，然后通过电子束曝光技术在前驱物膜的设定位置上得到设定尺寸的纳米圆洞阵列结构，所述前驱物选自聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯中至少一种； 步骤四 在步骤三所得带有设定尺寸的纳米圆洞阵列结构的半导体纳米带上蒸镀一层设定厚度的金属膜，将多余的金属膜与前驱物膜一起剥离即得到所述光波导分束器。
8.根据权利要求7所述的一种制备基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器的方法，其特征在于包括下述步骤: 步骤一 以纯度为99.9 %的CdS粉为原料，以Ar气为载气，用化学气相沉积法制备厚度为20-1 1nm的CdS纳米带；沉积时，控制气体流速为1.5_5sccm，沉积温度为800_860°C 步骤二 以HfO2为原料，将步骤一制得的半导体纳米带分散在清洁干净的Si/Si02衬底上，用原子层沉积法在分散的半导体纳米带上覆盖一层厚度为5-15nm的HfOjl ; 步骤三 在步骤二所得带有介电层的半导体纳米带上涂覆一层前驱物膜，然后通过电子束曝光技术在前驱物膜的设定位置上得到设定尺寸的纳米圆洞阵列结构，所述前驱物选自聚甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯中的至少一种；所述纳米圆洞阵列结构中，圆洞的直径为280-320nm、周期为 580_620nm ； 步骤四 在步骤三所得带有设定尺寸的纳米圆洞阵列结构的半导体纳米带上蒸镀一层厚度为40-60nm的金属膜，将多余的金属膜与前驱物膜一起剥离即得到所述光波导分束器。
【专利摘要】本发明涉及一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器及其制备方法，属于光集成器件技术领域。本发明首次利用金属材料与半导体材料之间的光学耦合在微纳尺度范围内设计了一种光波导分束器。本发明所设计的光波导分束器包括半导体层、介电层、纳米金属颗粒层，所述介电层位于半导体层与纳米金属颗粒层之间；所述半导体层为CdS等半导体材料纳米带；所述介电层为HfO2等高电阻率材料层；所述纳米金属颗粒层为Au等贵重金属纳米颗粒层，所述纳米金属颗粒以周期性阵列结构附着在介电层上。本发明对于实现纳米级的光集成器件以及多光束干涉具有重要意义。
【IPC分类】G02B6-12, G02B6-132
【公开号】CN104730621
【申请号】CN201510097954
【发明人】潘安练, 李耘云, 朱小莉
【申请人】湖南大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月5日