基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关制造技术

基于周期性圆环‑狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关，由电介质基底和金属薄膜组成，金属薄膜设于电介质基底正上方，金属薄膜上设有复数个周期性阵列排布的圆环‑狭缝单元，圆环‑狭缝单元包括贯穿金属薄膜厚度方向的圆环和矩形狭缝，矩形狭缝位于圆环内、垂直于阵列周期方向且矩形狭缝的中心与圆环的圆心重合。通过改变入射光的偏振方向、金属薄膜厚度、圆环‑狭缝单元间隔长度等参数优化表面等离子体光开关的性能。本发明专利技术结构简单、制作工艺要求低、尺寸小便于集成；无泵浦光对信号光及后续光路的干扰，能够有效控制可见光波段和近红外波段的开关比，操作方便，表面等离子体光开关的功耗低。

Surface plasma optical switch based on periodic ring slit composite hole array

【技术实现步骤摘要】
基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关
本专利技术涉及微纳光子器件领域，特别是一种基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关。
技术介绍
随着社会发展，电子器件已经很难满足人们对信息传输速度和存储量的需求。由于表面等离子体（SurfacePlasmons,SPs）具有亚波长、电场局域以及局域场增强的特优良性，利用表面等离子体可以解决目前存在的衍射极限问题，使得光子器件能够小型化和集成化，极大扩展了光子器件在信息传输领域的应用。且表面等离子体光开关是通过控制外部因素改变开关中SPs的激发或传输，进而调控光的有无强弱，从而实现对光的开关操作，相对于传统的光开关，表面等离子体光开关可在小于衍射极限尺度内实现对光的控制，进而在纳米尺度上实现光开关的集成。近年来，随着各种微纳制备技术的日渐成熟，众多表面等离子体光开关被先后实现。例如，PalaR.A.等在电介质基底上的金属薄膜表面添加光致变色分子层，并在金属薄膜中设置两个光栅，利用泵浦光照射光致变色分子层实现表面等离子体激元波导光开关。VeronisG等通过在波导中设置半导体增益介质矩形腔，实现由外界泵浦光控制金属-空气-金属波导表面等离子体光开关。中国专利技术专利ZL201710497191.0公开了一种基于周期性亚波长孔阵列的表面等离子体光开关。然而上述现行的表面等离子体光开关存在结构复杂集成难度大，在纳米尺度下的制作精度增加了制作难度；并且由于需要外界泵浦光控制存在泵浦光对信号光及后续光路的干扰；另外，表面等离子体光开关的开关比低，不超过10dB，使得表面等离子体光开关损耗较大，影响表面等离子体光开关的整体性能参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的上述不足而提供一种基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关，该表面等离子体光开关结构简单、易于制作，无泵浦光干扰，并且具有较高的开关比，能够应用于可见光波段和近红外波段的表面等离子体光开关。本专利技术的技术方案是：基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关，是由电介质基底和金属薄膜组成的微纳结构，金属薄膜设置于电介质基底的正上方，金属薄膜上设有复数个圆环-狭缝单元，复数个圆环-狭缝单元周期性阵列排布于金属薄膜上，圆环-狭缝单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆环和一个贯穿金属薄膜厚度方向且垂直于横向阵列周期方向的矩形狭缝，矩形狭缝位于圆环内，矩形狭缝的中心与圆环的圆心重合。本专利技术进一步的技术方案是：所述电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯，所述电介质基底的厚度为150nm～250nm；所述金属薄膜的材料为银或金，所述金属薄膜的厚度为50nm～100nm。本专利技术再进一步的技术方案是：所述圆环-狭缝单元的数量不小于9，复数个圆环-狭缝单元排列形成的阵列的形状为正方形或长方形，复数个圆环-狭缝的排列周期为500nm～800nm。本专利技术更进一步的技术方案是：所述圆环的内圆半径为100～150nm，圆环的宽度为25～55nm；所述狭缝的长度为100～250nm，宽度为25～60nm；狭缝的长度小于圆环的内圆直径。本专利技术与现有技术相比具有如下特点：1、本专利技术的表面等离子体光开关仅由电介质基底和具有孔阵列的金属薄膜组成，尺寸小，结构简单且易于制作。2、本专利技术的表面等离子体光开关只需改变入射光的偏振方向，便能有效控制可见光波段和近红外波段光的开关，扩大了表面等离子体光开关的应用场所和适应范围，且操作方便，无泵浦光对信号光及后续光路的干扰。3、本专利技术的表面等离子体光开关通过改变入射光的偏振方向，能够有效地调节表面等离子体光开关的开关比，使得表面等离子体光开关具有较高的开关比，有效降低表面等离子体光开关的能耗，提高表面等离子体光开关的使用性能。以下结合附图和具体实施方式对本专利技术的详细结构作进一步描述。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为圆环-狭缝单元的二维侧视剖面示意图；图3为圆环-狭缝单元的截面图；图4为本专利技术实施例一在可见光波段的透过率谱；图5为本专利技术实施例一在近红外波段的透过率谱；图6为本专利技术实施例二在可见光波段的透过率谱；图7为本专利技术实施例二在近红外波段的透过率谱；图8为本专利技术实施例三在可见光波段的透过率谱；图9为本专利技术实施例三在近红外波段的透过率谱；图10为本专利技术实施例四在光通信波段下的透过率谱。具体实施方式实施例一，如图1所示，基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关，是由电介质基底1和金属薄膜2组成的微纳结构，金属薄膜2设置于电介质基底1的正上方。所述电介质基底的电介质材料为石英，石英的厚度为150nm。电介质基底的电介质材料也可以是其他适合加工的任何电介质，例如苯并环丁烯等。所述金属薄膜的材料为金，设置金属薄膜的材料金的厚度为50nm。金属薄膜的材料也可以是其他能产生表面等离子体的金属，例如银等。金属薄膜2上设有9个圆环-狭缝单元3，9个圆环-狭缝单元3周期性阵列排布于金属薄膜2上，9个圆环-狭缝单元3按照3×3的方式呈正方形排列于电介质基底1上，其排列周期为600nm。圆环-狭缝单元3包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆环3.1和一个贯穿金属薄膜厚度方向且垂直于圆环-狭缝单元3的横向阵列周期方向的矩形狭缝3.2，矩形狭缝3.2位于圆环3.1内且矩形狭缝3.2的中心与圆环3.1的圆心重合。所述圆环3.1的内圆半径为100nm，圆环3.1的宽度为25nm，即圆环3.1的外圆半径为125nm。狭缝3.2的长度为150nm，宽度为30nm。将该基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关界定于X、Y、Z笛卡尔正交坐标系，其中X轴、Z轴分别为横向阵列周期方向、纵向阵列周期方向，Y轴垂直于X、Z轴构成的平面，K为入射光，L为透射光，E为入射光的电场强度方向。入射光K从电介质基底1方向垂直入射到金属薄膜2的底侧，并从金属薄膜2的另一侧透射出来形成透射光L，当入射光K的偏振方向沿X轴方向时，该表面等离子体光开关处于“开”状态；当入射光K的偏振方向沿Z轴方向时，该表面等离子体光开关处于“关”状态。改变入射光K的偏振方向，是本领域的公知技术。另外，本领域技术人员可知，入射光K的偏振方向沿着X轴方向，即矩形狭缝3.2的长度方向垂直于入射光K的偏振方向分布时，矩形狭缝3.2产生表面等离子体（SurfacePlasmonPolariton,SPP）共振，在透射光L传输谱的可见光波段（波长为400nm～750nm）能够观测到SPP共振现象。入射光K的偏振方向沿着Z轴方向，即矩形狭缝3.2的长度方向平行于入射光K的偏振方向分布时，矩形狭缝3.2不能激发SPP共振。透射光L传输谱的可见光波段（波长为400nm～750nm），无论入射光K的偏振方向为哪个方向，圆环3.1都有SPP共振，但是这种SPP共振非常微弱，不足以影响表面等离子体开关效果。入射光K的偏振方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关，是由电介质基底和金属薄膜组成的微纳结构，金属薄膜设置于电介质基底的正上方，其特征是：金属薄膜上设有复数个圆环-狭缝单元，复数个圆环-狭缝单元周期性阵列排布于金属薄膜上，圆环-狭缝单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆环和一个贯穿金属薄膜厚度方向且垂直于横向阵列周期方向的矩形狭缝，矩形狭缝位于圆环内，矩形狭缝的中心与圆环的圆心重合。/n

【技术特征摘要】
1.基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关，是由电介质基底和金属薄膜组成的微纳结构，金属薄膜设置于电介质基底的正上方，其特征是：金属薄膜上设有复数个圆环-狭缝单元，复数个圆环-狭缝单元周期性阵列排布于金属薄膜上，圆环-狭缝单元包括一个贯穿金属薄膜厚度方向的圆环和一个贯穿金属薄膜厚度方向且垂直于横向阵列周期方向的矩形狭缝，矩形狭缝位于圆环内，矩形狭缝的中心与圆环的圆心重合。


2.如权利要求1所述的基于周期性圆环-狭缝复合孔阵列的表面等离子体光开关，其特征是：所述电介质基底的电介质材料为石英或苯并环丁烯，所述电介质基底的厚度为150nm～250nm；...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗晓清，易建基，徐晓峰，张景朝，陈志勇，朱卫华，王新林，
申请(专利权)人：南华大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43