等离激元有源波导器件以及用于控制等离激元传播的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及表面等离激元光子学应用领域，更具体地说，本发明涉及一种等离激元有源波导器件以及用于控制等离激元传播的方法。
【背景技术】
[0002]表面等离激元是导体表面源于自由电子集体振荡的电荷浓度波与其电磁模联合形成的一种传播激发子。与传统的介质光纤一样，表面等离激元的宽谱连续模式被限制于金属导线，并且沿导线的轴方向传播;但不同的是，局域于导线横截面内的表面等离激元模式的尺度大小与导线直径相当，意味着表面等离激元可突破衍射极限的限制，能在100纳米以下实现光场的局域和控制。但具有极强局域特性的优点的同时，作为等离激元载体的金属本身会对电磁波传播产生严重的衰减损耗。电磁波在金属中的传播损耗限制了等离激元光子学在传感、集成光路等领域的应用。因此，在等离激元波导中引入增益材料、克服传播损耗是各种等离激元器件走向实用化的关键。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于为满足纳米等离激元实际应用的需求，在保持金属波导极强等离激元模局域能力的同时，减少传播带来的衰减，甚至能产生增益，从而提供一种基于金属-半导体-金属结构实现等离激元长距离传播的技术方案。
[0004]为了实现上述技术目的，根据本发明，提供了一种等离激元有源波导器件，包括:金属-半导体-金属平行板波导结构，其中，所述金属-半导体-金属平行板波导结构包括用来限制等离激元横磁模的两侧金属层以及处于两侧金属层之间的作为增益材料的半导体层;而且，两侧金属层分别连接电极。
[0005]优选地，两侧金属层采用金或银制成，每个金属层的厚度介于100-150nm之间。
[0006]优选地，半导体层的材料为InxGa^AsyPh材料，其中O ^ x <1，0 ^ y < I。
[0007]优选地，半导体层的厚度介于50-150nm之间。
[0008]优选地，所述金属-半导体-金属平行板波导结构的宽度W约为800nm-3um之间。
[0009]为了实现上述技术目的，根据本发明，还提供了一种用于控制等离激元传播的方法，包括:
[0010]第一步骤:制造金属-半导体-金属平行板波导结构，其中，所述金属-半导体-金属平行板波导结构包括用来有效限制等离激元横磁模的两侧金属层以及处于两侧金属层之间的作为增益材料的半导体层；
[0011]第二步骤:在两侧金属层上分别制作电极；
[0012]第三步骤:在两侧金属层上的电极上加上偏压以调整半导体中的载流子浓度。
[0013]优选地，两侧金属层采用金或银制成，每个金属层的厚度介于100-150nm之间。
[0014]优选地，半导体层的材料为InxGa1-XAsyP1-y材料，其中l，0<y< I。
[0015]优选地，半导体层的厚度介于50-150nm之间。
[0016]优选地，所述金属-半导体-金属平行板波导结构的宽度W约为800nm-3um之间。
【附图说明】
[0017]结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中:
[0018]图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的等离激元有源波导器件的截面结构图。
[0019]图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的用于控制等离激元传播的方法的流程图。
[0020]需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标有相同或者类似的标号。
【具体实施方式】
[0021]为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对本发明的内容进行详细描述。
[0022]〈第一优选实施例〉
[0023]本发明提供了一种能有效减少等离激元传播衰减、在一定条件下甚至能产生增益的有源波导器件。具体地，图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的等离激元有源波导器件的截面结构图。
[0024]如图1所示，根据本发明优选实施例的等离激元有源波导器件包括:金属-半导体-金属平行板波导结构，其中，所述金属-半导体-金属平行板波导结构包括用来有效限制等离激元横磁模的两侧金属层M1、M2以及处于两侧金属层Ml、M2之间的作为增益材料的半导体层Cl;而且，两侧金属层Ml、M2分别连接电极。
[0025]优选地，两侧金属层Ml、M2采用金或银制成，每个金属层的厚度介于100-150nm之间。优选地，半导体层Cl可以选择II1-V族(比如InxGa1-XAsyP1-J^if，其中0<x^l，0^y<l)作为增益材料，半导体层Cl的厚度d介于50-150nm之间。优选地，所述金属-半导体-金属平行板波导结构的宽度W约为800nm-3um之间。
[0026]作为增益材料的半导体可以采用InxGa1-xAsyP1-y材料，选择不同的X和y值组合，就可以改变半导体的禁带宽度大小(优选地，保证该禁带宽度要稍小于等离激元横磁模式频率)。比如等离激元横磁模波长为光纤通讯常用的1.55um时，x = 0.558、y = 0.95时半导体的禁带宽度为1.58111113 = 0.53、7 = 1时半导体的禁带宽度为1.69111110
[0027]在电极加上偏压，就可以改变半导体中的载流子浓度，一般情况下偏压越大，半导体中的载流子浓度就越大，等离激元传播损耗就越小，甚至产生增益。比如等离激元横磁模波长为光纤通讯常用的1.55um时，半导体的禁带宽度为1.58um时，产生增益所需加的偏压大小要比1.69um时要小。
[0028]半导体的禁带宽度大小，一般要比等离激元横磁模式频率要小;在双面金属上分别连接电极，加上电压可以改变半导体中的载流子浓度，偏压越大，半导体中的载流子浓度就越大，等离激元传播损耗就越小，甚至产生增益。本发明具有结构简单、易集成、电压控制增益等特点。由此，本发明采用金属-半导体-金属结构的有源波导，实现等离激元横磁模的有效局域，改善传播衰减甚至产生增益，实现等离激元长距离传播的功能。
[0029]〈第二优选实施例〉
[0030]图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的用于控制等离激元传播的方法的流程图。
[0031]如图2所示根据本发明优选实施例的用于控制等离激元传播的方法包括:
[0032]第一步骤S1:制造金属-半导体-金属平行板波导结构，其中，所述金属-半导体-金属平行板波导结构包括用来有效限制等离激元横磁模的两侧金属层M1、M2以及处于两侧金属层Ml、M2之间的作为增益材料的半导体层Cl;
[0033]例如，可以在半导体衬底上生长InGaAsP半导体异质结材料，然后采用化学刻蚀和金属键合技术制作双面金属以形成两侧金属层。
[0034]第二步骤S2:在两侧金属层Ml、M2上分别制作电极；
[0035]第三步骤S3:在两侧金属层Ml、M2上的电极上加上偏压以调整半导体中的载流子浓度。一般情况下偏压越大，半导体中的载流子浓度就越大，等离激元传播损耗就越小，甚至产生增益。
[0036]在本发明中波导是由金属-半导体-金属结构构成，一方面由于采用双面金属结构，对表面等离激元横磁模式具有极强的局域作用；另一方面在波导结构中引入了半导体层作为增益介质，意图抑制传播带来的损耗。等离激元在波导中传输时会发生衰减，原因主要是作为等离激元载体的金属所引起的。引入半导体层这一增益介质后，改变半导体掺杂成分和比例，可以改变半导体禁带宽度的大小，一般要求该禁带宽度稍小于等离激元横磁模式频率。当在金属上加上电压后，从外部引入载流子进入半导体，增加了半导体中的载流子浓度。当波导中传输等离激元波时，随着半导体中导带底中的电子和价带顶中的空穴受激发生复合，辐射出等离激元光子。因此通电后等离激元的受激辐射、吸收过程和固有的传播衰减过程互相竞争，最终达到平衡。当电压足够大时，电子-空穴复合受激辐射占据主导时，就会产生增益，大大增强了波导中等离激元的传播距离。
[0037]本发明采用金属-半导体-金属平行板波导结构，保持金属波导极强等离激元模局域能力的同时，减少传播带来的衰减，甚至能产生增益，并且具有结构简单、易集成、电压控制增益等特点。
[0038]此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
[0039]可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1.一种等离激元有源波导器件，其特征在于包括:金属-半导体-金属平行板波导结构，其中，所述金属-半导体-金属平行板波导结构包括用来限制等离激元横磁模的两侧金属层以及处于两侧金属层之间的作为增益材料的半导体层;而且，两侧金属层分别连接电极。2.根据权利要求1所述的等离激元有源波导器件，其特征在于，两侧金属层采用金或银制成，每个金属层的厚度介于100-150nm之间。3.根据权利要求1或2所述的等离激元有源波导器件，其特征在于，半导体层的材料为InxGa1-xAsyPi—y材料，其中0《叉《1，0《7《1。4.根据权利要求1或2所述的等离激元有源波导器件，其特征在于，半导体层的厚度介于50_150nm之间。5.根据权利要求1或2所述的等离激元有源波导器件，其特征在于，所述金属-半导体-金属平行板波导结构的宽度W约为800nm-3um之间。6.—种用于控制等离激元传播的方法，其特征在于包括: 第一步骤:制造金属-半导体-金属平行板波导结构，其中，所述金属-半导体-金属平行板波导结构包括用来有效限制等离激元横磁模的两侧金属层以及处于两侧金属层之间的作为增益材料的半导体层； 第二步骤:在两侧金属层上分别制作电极； 第三步骤:在两侧金属层上的电极上加上偏压以调整半导体中的载流子浓度。7.根据权利要求6所述的，其特征在于，两侧金属层采用金或银制成，每个金属层的厚度介于100_150nm之间。8.根据权利要求6或7所述的，其特征在于，半导体层的材料为InxGa1-xAsyP1-y材料，其中0<x<l，0<y<l。9.根据权利要求6或7所述的，其特征在于，半导体层的厚度介于50-150nm之间。10.根据权利要求6或7所述的，其特征在于，所述金属-半导体-金属平行板波导结构的宽度W约为800nm-3um之间。
【专利摘要】本发明提供了一种等离激元有源波导器件以及用于控制等离激元传播的方法。所述等离激元有源波导器件包括：金属-半导体-金属平行板波导结构，其中，所述金属-半导体-金属平行板波导结构包括用来限制等离激元横磁模的两侧金属层以及处于两侧金属层之间的作为增益材料的半导体层；而且，两侧金属层分别连接电极。
【IPC分类】H01P3/02
【公开号】CN105552499
【申请号】CN201510920108
【发明人】佘敏敏, 钟旭, 黄军伟, 宋赣祥
【申请人】上海电机学院
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年12月10日