实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线制造技术

本发明专利技术涉及一种实现超宽带激发表面等离子体波导模式的天线结构，包括上下结构的二氧化硅基底层和银层，银层通过磁控溅射镀膜机沉积在低折射率的二氧化硅表面，银层为一拍子形状，拍面为一矩形，手柄为等宽带状，形成一个带状的条形波导；用聚焦离子束刻蚀出两个顶点正对的等腰三角形构成蝴蝶结形天线结构，聚焦的高斯光束垂直照射在蝴蝶型天线结构上，从而激发表面等离子体。本发明专利技术解决了现有技术中表面等离子低效激发的问题，激发光涵盖了大部分可见光波段，一直到近红外范围。其独特的宽带特性，将在下一代等离子集成芯片和功能器件中大量应用。

Butterfly junction antenna for ultra wideband excitation of surface plasmon waveguide modes

The invention relates to an antenna structure for ultra wideband excitation of surface plasmon waveguide mode, including the structure of silica base layer and silver layer, the surface of the silica silver layer by magnetron sputtering deposition in low refractive index, silver layer is a racket shape, the racquet face is a rectangular, handle for broadband. A ribbon strip waveguide is formed; constitute a bow shaped antenna structure using focused ion beam etching a isosceles triangle of two vertices is the focus of Gauss beam in the vertical light butterfly antenna structure, so as to stimulate surface plasma. The invention solves the problem of low efficiency of surface plasma excitation in the prior art, and the excitation light covers most of the visible light bands and reaches the near-infrared range. Its unique broadband characteristics will be used in the next generation of plasma integrated chips and functional devices.

【技术实现步骤摘要】
实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线
本专利技术涉及一种光电子器件，特别涉及一种实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线。
技术介绍
表面等离子体是光波耦合进纳米尺寸高强度的场增强。表面等离子体的固有性质有助于一些特殊的纳米结构阵列的光学传导。研究发现一些阵列相较于单孔有更高效传输效率。几何形状不同的金属孔径，例如圆形、三角形、脊状或者蝴蝶状结构的光学特性在理论和实验上已经被深入的研究。上述结构可在锋利的边缘形成较强的热点，同时也具有可以调谐的共振峰。蝴蝶结形结构相较于偶极天线具有多个共振及强电场增强宽带效应。在高速光通信网络中的光纤，虽然也能在宽波段和长距离进行传输，但是它满足不了突破衍射极限的超高集成度的下一代光子芯片的需要。等离子体波导可以突破衍射极限，但应用在更广泛的区域，等离子波导却会遇到很大的一个技术瓶颈，主要是它的传播损耗和非常有限的有效激励方法。研究者提出用蝴蝶形狭缝演示了一个宽带高效激励方法，然而，对于研究者所提出的多层结构，制造是相当复杂的。
技术实现思路
本专利技术是针对表面等离子低效激发的问题，提出了一种实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线，是一种激励表面等离子体的结构，结构简单，体积小，利于小型化集成。本专利技术的技术方案为：一种实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线，包括上下结构的基底层和金属层，基底层材料为低折射率的二氧化硅，金属层材料为银，银层通过磁控溅射镀膜机沉积在低折射率的二氧化硅表面，银层为一拍子形状，拍面为一矩形，手柄为等宽带状，形成一个带状的条形波导；用聚焦离子束在矩形上以带状手柄中心线对称刻蚀两个相同的等腰三角形，等腰三角形深度为银层的厚度，刻蚀后，通过等腰三角形可直视到二氧化硅层，等腰三角形顶角正对，形成蝴蝶结形天线结构，两个等腰三角形顶角的间距为w1，两个等腰三角形构成蝴蝶结形天线，两个等腰三角形顶角的间距w1称为蝴蝶结形狭缝，两个等腰三角形的高度为L，蝴蝶结天线顶角的角度为θ，聚焦的高斯光束垂直照射在蝴蝶结形天线结构上，从而激发表面等离子体。所述两个等腰三角形的高度L和蝴蝶结天线顶角的角度θ可调。所述两个等腰三角形的高度L和蝴蝶结天线顶角θ根据不同高斯光波长计算后进行调节。本专利技术的有益效果在于：本专利技术实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线，当光的偏振方向与波导方向一致的光照射到条形波导时，波导顶端的表面等离子体波成功激发。由于不同谐振长度导致的多倍偶极子从蝴蝶结形边缘产生，从而具有宽带特性。长度为500nm波导具有很稳定的激发效率，带宽大概为610nm。涵盖了大部分可见光的范围，一直到近红外范围。其独特的宽带特性，可广泛应用于多波长信号传输与处理的等离子集成电路。附图说明图1为本专利技术实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线横截面示意图；图2为本专利技术实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线俯视图。具体实施方式为了便于说明本申请，这里对本申请涉及的相关术语作出如下解释：1、超宽带：从单色器射出的单色光谱线强度轮廓曲线的二分之一高度处的谱带宽度，超宽带表示光谱范围很宽，涵盖大多数光谱谱线范围。2、表面等离子体激元：金属表面自由电子与入射光子相互耦合形成的非辐射电磁模式，它是局域在金属和介质表面传播的一种混合激发态。这种模式存在于金属与介质界面附近，其场强在界面处达到最大，且在界面两侧均沿垂直于界面的方向呈指数式衰减。表面等离子激元具有较强的场限制特性，可以将场能量约束在空间尺寸远小于其自由空间传输波长的区域，且其性质可随金属表面结构变化而改变。表面等离子激元波导可以突破衍射极限的限制，将光场约束在几十纳米甚至更小的范围内，并产生显著的场增强效应。3、偏振方向：光波电矢量的振动方向。利用表面等离子体原理提出了一种实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线结构。通过对金属表面纳米结构的调制，使其实现与表面等离子激元的波长匹配，从而激发表面等离子体。如图1所示实现超宽带表面等离子激发蝴蝶结形狭缝天线结构横截面示意图，包括基底层3和金属层2，基底层3材料为低折射率的二氧化硅，金属层2材料为银，厚度为150nm的银层通过磁控溅射镀膜机沉积在低折射率的二氧化硅表面，入射光1为聚焦的高斯光束。导模式的蝴蝶结形天线俯视图。金属层2为一拍子形状，拍面为一矩形，手柄为等宽带状，用聚焦离子束在矩形上以带状手柄中心线对称刻蚀两个相同的等腰三角形，等腰三角形深度为金属层2的厚度，刻蚀后，通过等腰三角形可直视到基底层3，等腰三角形顶角正对，形成蝴蝶结形天线结构，两个等腰三角形顶角的间距为w1，两个等腰三角形构成蝴蝶结形天线，两个等腰三角形顶角的间距w1称为蝴蝶结形狭缝，L为单个蝴蝶结形天线(一个等腰三角形)的高度，w2为带状手柄未刻透波导槽的宽度。θ为蝴蝶结天线顶角的角度。用聚焦离子束刻蚀的蝴蝶结状狭缝。此外，在蝴蝶结形狭缝右侧，带状手柄未被刻蚀的银膜，形成一个带状的条形波导，如图2所述形成了实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线结构。条形波导长度，这里的长度是指相同宽度的带状手柄长度，不包含圆弧半径长，根据不同波长的高斯光可以调节长度。因为不同的高斯光波长，结构的激励效率也不一样，因此可以通过改变蝴蝶结形天线即一个等腰三角形的高度和顶角角度来调节对不同波长高斯光的激励效率，这个可以通过计算确定。本实例中，金属层的厚度为150nm，蝴蝶结形即等腰三角形的高度有L和顶角的角度θ可以适当改变，改变角度θ和蝴蝶结形的三角形高度L可以使得特定波长的激励效率提高。通过高数值孔径物镜聚焦的高斯光束垂直照射在蝴蝶结形结构上，也就是长条波导顶端的等腰三角形结构。从而激发表面等离子体。所实现表面等离子激发光的波长可以用不同宽波带波长的光来激发。使用COMSOL对本实例中实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线结构进行仿真。本实例中，当不同谐振长度导致的多倍偶极子从蝴蝶结形边缘产生，从而导致了宽带特性。长度为500nm波导它具有很稳定的激发效率，带宽大概为610nm。涵盖了大部分可见光的范围，一直到近红外范围。其独特的宽带特性，本专利技术提出的激发结构，将在下一代等离子集成芯片和功能器件中大量应用。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线，其特征在于，包括上下结构的基底层和金属层，基底层材料为低折射率的二氧化硅，金属层材料为银，银层通过磁控溅射镀膜机沉积在低折射率的二氧化硅表面，银层为一拍子形状，拍面为一矩形，手柄为等宽带状，形成一个带状的条形波导；用聚焦离子束在矩形上以带状手柄中心线对称刻蚀两个相同的等腰三角形，等腰三角形深度为银层的厚度，刻蚀后，通过等腰三角形可直视到二氧化硅层，等腰三角形顶角正对，形成蝴蝶结形天线结构，两个等腰三角形顶角的间距为w1，两个等腰三角形构成蝴蝶结形天线，两个等腰三角形顶角的间距w1称为蝴蝶结形狭缝，两个等腰三角形的高度为L，蝴蝶结天线顶角的角度为θ，聚焦的高斯光束垂直照射在蝴蝶结形天线结构上，从而激发表面等离子体。

【技术特征摘要】
1.一种实现超宽带激发表面等离子体波导模式的蝴蝶结形天线，其特征在于，包括上下结构的基底层和金属层，基底层材料为低折射率的二氧化硅，金属层材料为银，银层通过磁控溅射镀膜机沉积在低折射率的二氧化硅表面，银层为一拍子形状，拍面为一矩形，手柄为等宽带状，形成一个带状的条形波导；用聚焦离子束在矩形上以带状手柄中心线对称刻蚀两个相同的等腰三角形，等腰三角形深度为银层的厚度，刻蚀后，通过等腰三角形可直视到二氧化硅层，等腰三角形顶角正对，形成蝴蝶结形天线结构，两个等腰三角形顶角的间距为w1，两个等腰...

【专利技术属性】
技术研发人员：文静，冯辉，吕亚婷，王康，刘仕良，张大伟，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31