硅基一维介电-表面等离子体耦合波导器件制造技术

本发明专利技术公开了一种硅基一维介电-表面等离子体耦合波导器件，所述器件具有一维纳米线结构，且所述器件至少包括两段纳米柱状材料，所述纳米柱状材料中至少具有一段硅材料与至少一段金属硅化物材料，且不同材料属性的纳米柱状材料交替连接。器件通过一维硅纳米波导中的光波导模式与一维金属硅化物波导中的表面等离子体模式耦合，形成一维耦合波导器件。该器件可通过改变一维金属硅化物波导的长/径比调节表面等离子共振模式的特征，从而提高硅光波导与表面等离子波导的耦合效率。该器件的制作可与大规模集成电路工艺兼容，且工作在红外通信波段，在硅基光-电及表面等离体集成领域具有优异的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
硅基一维介电-表面等离子体耦合波导器件
本专利技术属于微纳光电子器件及集成领域，更具体的涉及到硅基光-电及表面等离子集成领域。
技术介绍
随着标准集成电路工艺特征尺寸的迅速减小，器件的密度显著提高。电学互连带来的能量损耗及电磁干扰已经成为制约硅基微电子集成电路发展的瓶颈。集成光互连凭借其在传输带宽、抗干扰能力及能量损耗上的显著优势，已经成为解决电学互连问题的重要途经。然而，由于光子不具有定域性特点，存在衍射极限，这就限制了光子器件的集成化。表面等离子体(SurfacePlasmon,SP)是一种金属-介电材料界面处的电磁波，它沿着金属界面传播，而在垂直方向迅速衰减，具有很强的局域性。在过去的15年内，人们围绕金属材料的SP特性进行了广泛而又深入的研究。文献Plasmonicsbeyondthediffractionlimit[NaturePhotonics,4,83(2010)]、Quantμmplasmonics[NaturePhysics,9,329(2013)]、Plasmonics:vistthepasttoknowthefuture[J.Phys.D:Appl.Phys.45,433001(2012)]等报道这类材料最近的研究进展，提出以表面等离子体作为信息载体，有望解决光子器件的高密度集成问题。研究人员通过调节金属微纳结构的尺寸、形状、介电环境等参数控制SP共振频率和品质因子。同时，以金属材料的SP优异特性为基础，设计和制备了各类的SP光学器件，主要包括SP波导、传感器、调制器、探测器和表面等离子共振天线等。然而，目前绝大多数SP光学研究集中在以贵金属Au、Ag为代表的各类金属材料。文献Searchingforbetterplasmonicmaterials[LaserPhotonicsRev.4,795(2010)]的研究结果表明，以这类材料为基础的SP器件在可见光波段具有品质因子高、损耗低的优势。但是，贵金属材料固有的介电特性决定了其SP共振频率的可调谐范围难以拓展至红外波段。更为重要的是，贵金属材料制备方法与标准集成电路工艺(CMOS)不能兼容。硅材料是微电子集成电路工艺的主要材料，利用硅作为基本材料，采用成熟的CMOS制作SP器件和集成回路，在成本上和工艺上具有不可比拟的优势，并且更有利于与现有的硅基电子、光子器件实现单片集成。金属硅化物如TiSi、NiSi等是硅CMOS工艺中的重要材料，常在微电子器件中被用作电互连、欧姆接触、肖特基接触等。由于载流子浓度的限制，金属硅化物的SP共振频率通常位于短波红外波段，便于通过调谐手段使之与硅材料透明的通信波段重合，因此，金属硅化物材料在硅基SP光学集成领域具有先天的优势。事实上，从器件角度来看，金属硅化物SP器件与硅基工艺兼容性的优势已经引起了人们的关注。2008年，美国空军研究实验室的研究[OpticsExpress,16,6507(2008)]首次提出了金属硅化物在实现SP-电子单片集成电路中应用，他们在硅衬底上设计了带状的金属硅化物SP波导结构，计算了结构的模式传输损耗和模场分布。结果表明，Pd2Si/SiSP波导在0.5μm-7.5μm波长范围内性能优异，传输距离可相应的达到1－2300μm。2008年，新墨西哥州立大学的研究[Opt.Letts.33,258(2008)]设计了硅化物/SiSP带状波导，计算得到这种波导在100μm波长模式的传输损耗为2.18dB/cm，模式高度小于30μm，体现了硅化物SP波导在红外区域的优异性能。从硅基器件集成角度来看，金属硅化物SP波导结构作为信息传输的核心器件，如何在近红外波段与传统硅波导模式实现匹配，并且实现低损耗、长距离的传输，对未来硅基全光集成器件的应用是至关重要的。本专利技术提出一种硅与金属硅化物耦合的一维纳米线波导结构，与前人研究的平面耦合波导结构相比，具有效率调谐空间大的优点，并且从结构上来讲，在微米光电器件领域中具有更广阔的应用前景。
技术实现思路
针对现有技术中的不足，本专利技术提供了一种硅基一维介电-表面等离子体耦合波导器件，该器件能在近红外波段与传统硅波导模式实现匹配，实现低损耗、长距离的传输，效率调谐空间大。本专利技术通过以下技术方案实现：硅基一维介电-表面等离子体耦合波导器件，其特征在于，所述器件具有一维纳米线结构，且所述器件至少包括两段纳米纳米柱状材料，所述纳米柱状材料中至少具有一段硅材料与至少一段金属硅化物材料，且不同材料属性的纳米柱状材料交替连接。由于采用了一维纳米线结构，即一维波导结构，硅介质中传输的光波导模式与表面等离子模式可以通过倏矢场有效耦合。当介质波导中传输的光波长与一维金属硅化物纳米线的表面等离子共振波长匹配时，将会发生强烈的共振耦合，从而在一维金属硅化物波导结构中激发表面等离子波并进行能量传输。作为优选，所述纳米柱状材料的长度为80纳米～120纳米；所述纳米柱状材料的直径在20纳米至60纳米之间。一维金属硅化物结构的表面等离子共振波长可由一维纳米线结构的长径比来调节，如图3所示，半径为20nm的一维CoSi2纳米线的表面等离子共振波长随着长度的增大从0.86μm红移至1.02μm。可见，通过改变金属硅化物一维结构的尺寸可以方便的调控硅基介电-表面等离子体波导的工作波长和耦合效率。作为优选，所述金属硅化物为CoSi2。作为优选，所述器件的工作波段为波长在0.8μm～1.7μm之间的波段。进一步的，作为一种优选的器件，所述器件由直径为40纳米长度为80纳米的圆柱状硅材料与直径为40纳米长度为80纳米的圆柱状CoSi2连接而成。进一步的，作为另一种优选的器件，所述器件由直径为40纳米长度为120纳米的圆柱状硅材料与直径为40纳米长度为120纳米的圆柱状CoSi2连接而成。更进一步的，作为另一种优选的器件，所述器件由直径为40纳米长度为80纳米的圆柱状硅材料、直径为40纳米长度为80纳米的圆柱状CoSi2、直径为40纳米长度为80纳米的圆柱状硅材料依次连接而成。同时，本专利技术所述器件的光波导模式与表面等离子体的模式耦合效率可通过所述一维纳米线结构的一维金属硅化物的长径比及金属硅化物的材料调节。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：该专利技术的器件能在近红外波段与传统硅波导模式实现匹配，实现低损耗、长距离的传输，效率调谐空间大，可以通过一维纳米线结构的长径比与金属硅化物的材料来调节。附图说明图1为本专利技术中硅-金属硅化物一维耦合波导结构示意图。图2为本专利技术中硅-金属硅化物-硅一维耦合波导结构示意图。图3为本专利技术中金属硅化物CoSi2的表面等离子体共振峰随一维纳米线长径比的变化。图4直径为40纳米长度各为80nm的硅-金属硅化物CoSi2一维纳米线波导结构的耦合传输电磁场分布图。图5直径为40纳米长度各为120nm的硅-金属硅化物CoSi2一维纳米线波导结构的耦合传输电磁场分布图。图6为直径为40纳米长度各为80nm的一维硅-金属硅化物CoSi2-硅纳米线波导结构的耦合传输电磁场分布图。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术做进一步描述。图1和图2为本专利技术的结构，包括硅和金属硅化物形成的一维纳米线结构。其中，图1中结构，通过左端的硅一维纳米波导中的光波导模式耦合激本文档来自技高网...

【技术保护点】
硅基一维介电‑表面等离子体耦合波导器件，其特征在于，所述器件具有一维纳米线结构，且所述器件至少包括两段纳米柱状材料，所述纳米柱状材料中至少具有一段硅材料与至少一段金属硅化物材料，且不同材料属性的纳米柱状材料交替连接。

【技术特征摘要】
1.硅基一维介电-表面等离子体耦合波导器件，其特征在于，所述器件具有一维纳米线结构，且所述器件至少包括两段纳米柱状材料，所述纳米柱状材料中至少具有一段硅材料与至少一段金属硅化物材料，且不同材料属性的纳米柱状材料交替连接；所述纳米柱状材料的长度为80纳米~120纳米；所述纳米柱状材料的直径在20纳米至60纳米之间；所述金属硅化物为CoSi2。2.根据权利要求1所述的硅基一维介电-表面等离子体耦合波导器件，其特征在于，所述器件的工作波段为波长在0.8微米~1.7微米之间的波段。3.根据权利要求1所述的硅基一维介电-表面等离子体耦合波导器件，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：程培红，鲍吉龙，吴礼刚，赵红霞，
申请(专利权)人：宁波工程学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33