一种基于表面等离激元的四象限探测器制造技术

一种基于表面等离激元的四象限探测器，属于光学测量技术领域。四象限光电探测器设有金属膜，在金属膜表面设有一组边长为a的亚波长正方形凹槽，一般要求a约等于半波长以便有较高的耦合效率。各凹槽的位置位于一个M×N的正方形网格的格点位置，M表示网格的列数,N表示网格的行数，M可等于N，M和N的选取要求使器件的尺寸和光斑尺寸可以比拟。因此每个凹槽的中心位置记为rm,n＝max+nay,x和y是直角坐标系的x和y方向单位矢量，m和n是任何绝对值不大于M的整数，某个凹槽的位置记为(m,n)。反应速度快、暗电流小。器件可以制备在几十纳米厚度的金属薄膜上，结构简单，尺度小、利于器件集成化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学测量
，涉及四象限探测器，尤其涉及一种基于表面等离激元的四象限探测器及其对光束位置进行探测的方法。
技术介绍
表面等离激元SPP(SurfacePlasmonPolariton)是一种局域在金属/介质界面上，并沿金属表面传播的电磁模式，电磁场强度在垂直于金属表面的方向上指数衰减；并且沿传播方向的波数大于同一频率下光子在该介质中自由传播的波数。因此若以表面等离激元作为信号载体，将非常适合实现二维的全光、电光集成；其次，由于金属表面的强约束，表面等离激元的电磁场在空间上的延展主要取决于金属微纳米结构尺度而不是波长，从而有能力突破衍射极限，缩小光路中器件的尺寸。因此普遍认为表面等离激元将在纳米光子学领域获得重要应用。基于表面等离激元的各种器件的研究以及相关理论研究成为近年来的热点，吸引着众多科研人员的关注。另外，实现对光束位置测量在诸多应用领域至关重要，比如激光雷达,激光制导武器，自由空间光通信等。在各种位置传感器中，四象限探测器是应用最普遍的一种。传统的四象限探测器是用十字叉线均匀对称地将一个圆形光敏面分成四部分,因此它实际上是由四个性能完全一致、紧密靠在一起的光电探测器组成，然而其典型尺寸在毫米甚至厘米量级，显然不适用在微纳尺度上的光子学器件的集成。因此通过发现新原理和新方法，实现小尺度的表面等离激元四象限探测器，成为表面等离激元器件的一个研究难点。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种反应速度快、暗电流小，可以制备在几十纳米厚度的金属薄膜上，结构简单，尺度小、非常利于器件集成化的基于表面离激元的四象限光电探测器及其对光束位置进行探测的方法。本专利技术所述基于表面离激元的四象限光电探测器，设有金属膜，在金属膜表面设有一组边长为a的亚波长正方形凹槽，一般要求a约等于半波长以便有较高的耦合效率。各凹槽的位置位于一个M×N的正方形网格的格点位置，M表示网格的列数,N表示网格的行数,M可等于N，M和N的选取要求使器件的尺寸和光斑尺寸可以比拟。因此每个凹槽的中心位置记为rm,n＝max+nay,x和y是直角坐标系的x和y方向单位矢量，m和n是任何绝对值不大于M的整数，某个凹槽的位置记为(m,n)。所述金属膜可为金膜、银膜、铝膜等金属膜。所述金属膜的厚度可为40～70nm；所述正方形凹槽的边长可为300～500nm，深度可为30～60nm。本专利技术所述对光束位置进行探测的方法，可采用下述两种技术方案：第一技术方案：对光束位置进行探测的方法，采用所述基于表面离激元的四象限光电探测器，包括以下步骤：1)按照波动光学，设计凹槽在网格上的排列位置，使激发的表面等离激元能实现四个焦点，分别位于±x和±y轴上，且焦距相等；2)调整器件和入射高斯光束的相对位置：要求入射光垂直金膜表面；要求光束腰的位置和金膜表面重合；要求偏振方向沿着正方形凹槽对角线方向；3)采集四个焦点位置的表面等离激元强度，类比标准的四象限探测器算法,由焦点的强度Ii(i＝1,2,3,4)计算出一组包含光束位置信息的相对位置坐标(χ，ψ)。4)Ii(i＝1,2,3,4)随入射光束中心位置的变化关系可由表面等离激元点源模型或通过麦克斯韦(Maxwell)方程组或通过电磁场商用计算软件(FDTDsolutions等)求得，从而得到xd与χ、以及yd与ψ之间的关系，这里(xd，yd)是在x1-y1坐标系中度量的光束位置,x1-y1坐标是将x-y坐标系以原点为中心逆时针转45度的得到，当光束位置在器件中心附近时，χ和ψ分别是光束位置坐标xd和yd的单值函数，根据测量的(χ,ψ)值，就能反推(xd，yd)，即实现光束位置的探测。第二技术方案：对光束位置进行探测的方法，采用所述基于表面离激元的四象限光电探测器，包括以下步骤：1)按照波动光学，设计凹槽在网格上的排列位置，使激发的表面等离激元能在±x和±y各方向上产生两个焦点，即共产生八个焦点，且焦距相等；2)调整器件和入射高斯光束的相对位置：要求入射光垂直金膜表面；要求光束腰的位置和金膜表面重合；要求偏振方向沿着正方形凹槽对角线方向；3)采集八个焦点位置的表面等离激元强度，由扩展的四象限探测器算法(详见实施例2),由焦点的强度Ii(i＝1,2,3,...，8)计算出两组包含光束位置信息的相对位置坐标：(χ1，ψ1)和(χ2，ψ2)；4)Ii(i＝1,2,3,...,8)随入射光束中心位置的变化关系可由表面等离激元点源模型、或通过麦克斯韦(Maxwell)方程组或电磁场商用计算软件(FDTDsolutions等)求得，从而得到xd与χ1，xd与χ2，,yd与ψ1，以及yd与ψ2之间的关系，这里(xd，yd)是在x1-y1坐标系中度量的光束位置,x1-y1坐标是将x-y坐标系以原点为中心逆时针转45度的得到，当光束位置在器件中心附近时，χ1、χ2都是光束位置坐标xd单值函数，而ψ1、ψ2都是位置坐标yd的单值函数，根据测量的(χ1，ψ1)或(χ2，ψ2)值能反推(xd，yd)，即实现光束位置的探测。与现有技术比较，本专利技术的有益效果如下：由于采用这样的结构，当一束平面波垂直金属表面入射时，表面等离激元将在每个凹槽上以相同的初相位被激发并沿金/空气界面传播，并分别在±x和±y方向上形成焦点。显然，这里的m和n并不是任意取值(即凹槽只能被放置在特殊的格点位置上)，而是如下方法选出：首先将整个四象限探测器的结构可以用集合{(m,n)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于表面离激元的四象限光电探测器，其特征在于，设有金属膜，在金属膜表面设有一组边长为a的亚波长正方形凹槽，各凹槽的位置位于一个M×N的正方形网格的格点位置，M表示网格的列数，N表示网格的行数，M可等于N，每个凹槽的位置记为rm,n＝max+nay,x和y是直角坐标系的x和y方向单位矢量，m和n是任何绝对值不大于M的整数，某个凹槽的位置记为(m,n)。

【技术特征摘要】
1.一种基于表面离激元的四象限光电探测器，其特征在于，设有金属膜，在金属膜表面
设有一组边长为a的亚波长正方形凹槽，各凹槽的位置位于一个M×N的正方形网格的格点
位置，M表示网格的列数，N表示网格的行数，M可等于N，每个凹槽的位置记为rm,n＝max+
nay,x和y是直角坐标系的x和y方向单位矢量，m和n是任何绝对值不大于M的整数，某
个凹槽的位置记为(m,n)。
2.如权利要求1所述一种基于表面离激元的四象限光电探测器，其特征在于，所述金属膜
为金膜、银膜或铝膜。
3.如权利要求1所述一种基于表面离激元的四象限光电探测器，其特征在于，所述金属膜
的厚度为40～70nm；所述正方形凹槽的边长为300～500nm，深度为30～60Nm。
4.一种对光束位置进行探测的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种基于表面离
激元的四象限光电探测器，所述探测方法包括以下步骤：
1)按照波动光学，设计凹槽在网格上的排列位置，使激发的表面等离激元能实现四个焦
点，分别位于±x和±y轴上，且焦距相等；
2)调整器件和入射高斯光束的相对位置：要求入射光垂直金膜表面；要求光束腰的位置
和金膜表面重合；要求偏振方向沿着正方形凹槽对角线方向；
3)采集四个焦点位置的表面等离激元强度，类比标准的四象限探测器算法,由焦点的强
度Ii(i＝1,2,3,4)计算出一组包含光束位置信息的相对位置坐标(χ，ψ)；
4)Ii(i＝1,2,3,4)随入射光束中心位置的变化关系由表面等离激元点源模型或通过麦克
斯韦方程组或通过电磁场商用计算软件求得，从而得到xd与χ、以及yd与ψ之间的关系，所述xd
和yd是...

【专利技术属性】
技术研发人员：王家园，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35