基于柔性表面等离激元耦合器的可调谐振腔及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调谐振腔及其制备方法，该可调环形谐振腔包括由上支柔性波导和下支柔性波导组成的可调谐柔性表面等离激元耦合器，其包括柔性表面等离激元定向耦合器，位于下支柔性波导上用于传导光信号的第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导，以及由上支柔性波导两端耦合对接形成的柔性表面等离激元谐振环；该谐振环的环形面与下支柔性波导所在平面垂直。制备方法为：制备可调谐柔性表面等离激元耦合器；将上支柔性波导和下支柔性波导的左右两端分离至柔性表面等离激元定向耦合器处；将上支柔性波导两端卷曲对接、形成三维立体柔性表面等离激元谐振环，即得。该谐振腔可降低弯曲损耗，提高Q值。

【技术实现步骤摘要】
基于柔性表面等离激元耦合器的可调谐振腔及其制备方法
本专利技术涉及一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔及其制备方法，属于集成光学

技术介绍
集成光学环形谐振腔是目前集成光学功能器件及系统中应用最广泛的结构之一，是环形激光器、滤波器、光调制器、光开关等众多集成光学功能器件的核心敏感单元。尤其，利用集成光波导结构实现的环形谐振腔因其光场局域作用强、模式体积小、可实现单片集成以及与传统的CMOS工艺兼容等优点，在光传感、光通信等诸多领域具有非常广阔的应用前景。其中，高品质因数(Qualityfactor，Q值)是提高谐振腔传感灵敏度、增强各种光学效应的关键参数，研究高Q值波导环形谐振腔是集成光学谐振腔发展的必然趋势。影响Q值大小的主要因素为谐振腔的损耗系数和耦合系数。对于光波导器件来说，器件制作完成则结构参数固定，环内的损耗和耦合系数也随之固定，无法实现连续可调。随着集成光学、纳米光学及微纳加工工艺的发展，具有光电复用、单模单偏振特点的表面等离激元波导成为集成光学领域的新兴研究方向。表面等离激元波导具有普通光波导所不具备的特性：如可以实现在纳米尺度上的光信号传输；可保持信号长程传输过程中的单一偏振态，实现各种尺寸下单模传输；可对表面等离激元波导的金属芯层直接调制以实现表面等离激元波导器件的高效调谐等。利用表面等离激元波导构成的环形谐振腔，光子和电子的混合模式沿金属-介质表面传输，具有优良的单偏振谐振特性，为实现众多高性能集成光子器件和光传感器件提供了崭新的技术途径。而且，表面等离激元波导的芯层可以同时用于传输光信号和电信号，在光电混合集成光方面也具有重要的应用价值。目前利用表面等离激元波导构成的环形谐振腔存在着一个技术瓶颈，就是通过平面光波导工艺制成的表面等离激元谐振腔具有很大的弯曲损耗，严重影响了谐振腔的性能。这主要是由于表面等离激元波导的金属芯层厚度一般为纳米量级而宽度在微米量级，在波导弯曲时，波导芯层对传输模式的横向束缚作用很弱，模式光会发生明显的横向泄露。因此，表面等离激元波导一般只用于制备直波导类器件，难以研制弯曲波导器件，如环形谐振腔等。
技术实现思路
专利技术目的：针对现有的表面等离激元波导构成的环形谐振腔存在的弯曲损耗大、谐振腔的损耗及耦合系数无法调节等问题，本专利技术提供一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，并提供一种该谐振器的制备方法。技术方案：本专利技术所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，该可调谐振腔包括由上支柔性波导和下支柔性波导组成的可调谐柔性表面等离激元耦合器，该可调谐柔性表面等离激元耦合器包括由上支柔性波导和下支柔性波导的中间部分波导构成的柔性表面等离激元定向耦合器，位于下支柔性波导上、柔性表面等离激元定向耦合器左右两侧的用于传导光信号的第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导，以及由上支柔性波导两端耦合对接形成的柔性表面等离激元谐振环；该柔性表面等离激元谐振环的环形面与下支柔性波导所在平面垂直。上述可调谐柔性表面等离激元耦合器可为表面等离激元波导耦合器，其波导结构包括自下而上依次设置的柔性衬底、下包层、芯层和上包层，其中，芯层的材质为金属材料，上包层、下包层的材质为柔性有机聚合物材料。优选的，芯层厚度为6～50nm，芯层宽度为2～20μm。进一步的，上包层和下包层的厚度为5～50μm。其中，柔性表面等离激元定向耦合器位于下支柔性波导上的一侧引出两电极触点，每个电极触点上连接有调制电极，用于调谐柔性表面等离激元耦合器的耦合比。本专利技术所述的一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔的制备方法，包括下述步骤：(1)制备可调谐柔性表面等离激元耦合器，其包括上支柔性波导和下支柔性波导，下支柔性波导上连接有调制电极；(2)将上支柔性波导和下支柔性波导的左右两端分离开来，中心未分离的部分构成柔性表面等离激元定向耦合器，下支柔性波导上形成位于柔性表面等离激元定向耦合器左右两侧的第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导；(3)将上支柔性波导两端分离开的部分卷曲对接、形成三维立体柔性表面等离激元谐振环；(4))在下支柔性波导的调制电极上施加电信号、调节耦合器的耦合系数。通过在调制电极上施加电信号，通过电信号的大小调节耦合器的耦合系数，实现环形谐振腔谐振特性的调谐。上述步骤(1)中，可调谐柔性表面等离激元耦合器由表面等离激元波导构成，其波导结构包括自下而上依次设置的柔性衬底、下包层、芯层和上包层，其中，芯层的材质为金属材料，上包层、下包层的材质为柔性有机聚合物材料。优选的，可调谐柔性表面等离激元耦合器的制备方法包括下述步骤：步骤11，采用柔性有机聚合物材料，通过旋涂在柔性衬底上制备出下包层；步骤12，在下包层上旋涂制备出光刻胶掩膜，然后在该光刻胶掩膜上镀一层金属层，再通过剥离光刻胶得到金属芯层，该金属芯层包括芯层电极以及调制电极；步骤13，采用柔性有机聚合物材料，通过旋涂工艺在芯层上制备出上包层。进一步的，制备可调谐柔性表面等离激元耦合器时，上包层、下包层的厚度控制为5～50μm，芯层的厚度控制在6～50nm。工作原理：光信号进入可调谐柔性表面等离激元耦合器，经第一柔性表面等离激元波导进入柔性表面等离激元定向耦合器，一部分光耦合进入柔性表面等离激元谐振环进行传输，另一部分光经定向耦合器输出；耦合进入柔性表面等离激元谐振环内的光每传输一圈均有一部分光经定向耦合器输出，并与之前输出的光进行多光束干涉叠加，干涉叠加后的光由定向耦合器输出至第二柔性表面等离激元波导，经其传导后输出。可调谐柔性表面等离激元耦合器的下支波导制作有调制电极，可通过加载电信号对柔性表面等离激元定向耦合器的耦合系数进行调谐。有益效果：与现有的表面等离激元波导构成的环形谐振腔相比，本专利技术的优点在于：(1)本专利技术的谐振腔由柔性等离激元耦合器上支传输臂的两端弯曲连接，形成三维立体柔性环形谐振腔，当柔性等离激元波导侧向弯曲时，光会被紧密束缚在金属与介质界面处，可以有效降低弯曲引起的光辐射损耗，进而达到降低弯曲损耗的效果，提高了谐振腔的Q值，突破了该
的一个技术瓶颈；而且，相比于其他等离激元环形谐振腔，该柔性谐振腔具有窄带的滤波特性；(2)本专利技术的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔可实现光电信号复用，在传输光信号的同时金属芯层还可传输电信号，将柔性表面等离激元耦合器中的下支传输臂中的金属芯层同时作为传电介质，在两端分别引出电极触点，通过向两个电极触电输入电压改变电极及其周围介质的温度，从而改变传输臂的光传输特性，实现对耦合器的耦合比调谐；谐振腔的Q值与耦合系数有关，通过耦合器耦合系数的调谐，可进一步提高谐振腔的Q值；(3)柔性衬底的弹性变形可以引起谐振腔结构的变形，进而影响光波导谐振腔的谐振特性，该特性可广泛应用在位移传感器、压力传感器及加速度传感器中。附图说明图1为本专利技术的基于柔性表面等离激元耦合器的可调谐振腔的立体结构示意图；图2为可调谐柔性表面等离激元耦合器的平面结构示意图；图3为可调谐柔性表面等离激元耦合器中柔性表面等离激元波导纵截面示意图；图4为平面表面等离激元弯曲波导与本专利技术的柔性表面等离激元弯曲波导的弯曲损耗示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，该可调谐振腔包括由上支柔性波导和下支柔性波导组成的可调谐柔性表面等离激元耦合器，该可调谐柔性表面等离激元耦合器包括柔性表面等离激元定向耦合器、用于传导光信号的第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导、以及柔性表面等离激元谐振环，所述第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导位于下支柔性波导上、柔性表面等离激元定向耦合器的左右两侧，所述柔性表面等离激元谐振环由上支柔性波导两端耦合对接形成；该柔性表面等离激元谐振环的环形面与下支柔性波导所在平面垂直。

【技术特征摘要】
1.一种基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，该可调谐振腔包括由上支柔性波导和下支柔性波导组成的可调谐柔性表面等离激元耦合器，该可调谐柔性表面等离激元耦合器包括柔性表面等离激元定向耦合器、用于传导光信号的第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导、以及柔性表面等离激元谐振环，所述第一柔性等离激元波导和第二柔性等离激元波导位于下支柔性波导上、柔性表面等离激元定向耦合器的左右两侧，所述柔性表面等离激元谐振环由上支柔性波导两端耦合对接形成；该柔性表面等离激元谐振环的环形面与下支柔性波导所在平面垂直。2.根据权利要求1所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，所述可调谐柔性表面等离激元耦合器为表面等离激元波导耦合器，其波导结构包括自下而上依次设置的柔性衬底、下包层、芯层和上包层，其中，芯层的材质为金属材料，上包层、下包层的材质为柔性有机聚合物材料。3.根据权利要求2所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，所述芯层厚度为6～50nm，芯层宽度为2～20μm。4.根据权利要求2所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，所述上包层、下包层的厚度为5～50μm。5.根据权利要求1所述的基于柔性表面等离激元耦合器的可调环形谐振腔，其特征在于，所述柔性表面等离激元定向耦合器位于下支柔性波导上的一侧引出两电极触点，每个电极触点上连接有调制电极，用于调谐柔性表面等离激元耦合器的耦合比。6.一种权利要求1所述的基于柔性表面等离激元耦合器的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彤，刘怡然，唐杰，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32