基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器及制作方法技术

本申请公开了一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器及制作方法，其SPP耦合器当入射光通过介质填充层后进入介质光栅层，通过设置非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构，从而使得入射光可以垂直射入衬底，激发SPP，无需倾斜入射激发，可大幅降低外置光路的复杂性；而介质光栅层具有若干个周期性的介质光栅，周期性的介质光栅结构可以实现较高的光耦合效率，且可以较好的将入射光限制于衬底内进行单向传播，从而可以提高光耦合效率与单向比，另外，本实施例的SPP耦合器结构简单，制作难度低，适于批量生产。

【技术实现步骤摘要】
基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器及制作方法
本申请涉及耦合器
，尤其涉及一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器以及相应的制作方法。
技术介绍
表面等离激元(SurfacePlasmonPolariton，SPP)是由外部电磁场诱导金属结构表面自由电子或束缚电子的集体振荡现象，它可以突破衍射极限制约，在纳米尺度下实现对光的调制以及增强光与物质的相互作用。表面等离激元能够把入射光局域在金属表面亚波长的区域，相对于传统的介质光波导器件而言，可以突破衍射极限的限制，从而进一步缩小器件尺寸。对于实现兼具纳米电子器件的极小特征尺寸和介质光学的超高传输速度具有至关重要的意义。SPP单向耦合器是集成光路的重要元器件之一，受到研究者的重视。然而，如何设计金属微纳结构，从而将光能够高效地耦合至金属微纳结构，从而形成单向传输的SPP仍然目前存在的重要问题之一。另外，现有SPP耦合器结构通常制备工艺复杂，对设备条件要求高，成为制约其大规模应用的一个主要因素。因此，降低制作难度也是需要考虑的另一个重要问题。
技术实现思路
本申请提供了基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器及制作方法，用于解决现有的SPP单向耦合器的光耦合效率与SPP单向比较低以及相应的耦合器制作难度较高的技术问题。有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，由下至上依次设有衬底、介质光栅层、非对称金属光栅结构与介质填充层；所述介质光栅层包括若干个等距排列的介质光栅；所述非对称金属光栅结构部分覆盖所述介质光栅表面，所述非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构。优选地，所述介质光栅的折射率为1.4～1.7，所述介质光栅的宽度为75～200nm，所述介质光栅的高度为75～300nm，所述介质光栅层的光栅周期为300～800nm。优选地，所述介质光栅层的所述光栅周期为400-600nm。优选地，所述介质填充层相对于所述非对称金属光栅结构表面以上的结构厚度为50-800nm。优选地，所述非对称金属光栅结构的金属度大于50nm，所述非对称金属光栅结构的金属厚度为70～150nm。另一方面，本申请实施例提供了一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法，包括以下步骤：S101：在衬底上形成具有若干个等距排列的介质光栅的介质光栅层；S102：在所述介质光栅层上形成非对称金属光栅结构，所述非对称金属光栅结构部分覆盖所述介质光栅表面，同时，所述非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构；S103：在所述非对称金属光栅结构的所在空间填充介质并形成介质填充层，所述介质填充层覆盖所述非对称金属光栅结构与所述介质光栅层表面；S104：对经所述步骤S103获得的样品通过刻蚀工艺刻蚀出耦合器的独立单元。优选地，所述步骤S101中形成所述介质光栅层的制作方法采用下列三种方法的任意一种：1)首先，在所述衬底的上表面通过旋涂方法形成光刻胶，然后，采用曝光与显影工艺形成具有所述光刻胶制成的所述介质光栅的介质光栅层；2)首先，在所述衬底的上表面形成介质层，所述介质层采用SiO2、SiNx、ITO或AlN材料制成，然后，在所述介质层上通过旋涂方法形成光刻胶，并通过曝光、显影形成所述光刻胶制成的所述介质光栅，最后，通过干法刻蚀工艺形成所述介质光栅层；3)首先，在所述衬底的上表面形成介质层，所述介质层采用SiO2、SiNx、ITO或AlN材料制成，然后，在所述介质层上通过旋涂方法形成光刻胶，并通过纳米压印工艺形成所述光刻胶制成的所述介质光栅，最后，通过干法刻蚀工艺形成所述介质光栅层。优选地，所述步骤S102中采用倾斜蒸镀方法形成所述非对称金属光栅结构，具体包括：通过电子束坩埚发出电子束，并将经过所述步骤S101获得的样品以预设的倾斜角度相对所述电子束的出射方向倾斜设置，所述预设的倾斜角度可调，经过蒸镀后，所述介质光栅的表面上形成倒“L”或“Z”字型结构的非对称金属光栅结构。优选地，所述预设的倾斜角度为30°～60°。优选地，所述步骤S103中形成所述介质填充层的具体步骤包括：通过旋涂方法在所述非对称金属光栅结构与所述介质光栅层表面上形成表面平整的所述介质填充层，其中，旋涂的转速为4000～10000转/分钟，旋涂的次数为3～5次，所述介质填充层的介质为氢倍半硅氧烷。从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，当入射光通过介质填充层后进入介质光栅层，通过设置非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构，从而使得入射光可以垂直射入衬底，激发SPP，无需倾斜入射激发，可大幅降低外置光路的复杂性；而介质光栅层具有若干个周期性的介质光栅，周期性的介质光栅结构可以实现较高的光耦合效率，且可以较好的将入射光限制于衬底内进行单向传播，从而可以提高光耦合效率与单向比，另外，本实施例的SPP耦合器结构简单，制作难度低，适于批量生产。本申请另一实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法简单易行，降低了制作难度，适用于大批量生产制造，同时，生产后的SPP耦合器与上述实施例的基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的有益效果一致。附图说明图1为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的结构示意图；图2为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一中步骤S301的样品截面图；图3为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一中步骤S302的样品截面图；图4为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一中步骤S303进行蒸镀的示意图；图5为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一中步骤S303的样品截面图；图6为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一中步骤S303的样品俯视图；图7为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一的样品的SPP能流分布图；图8为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例二的样品截面图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。本实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，其由下至上依次设有衬底、介质光栅层、非对称金属光栅结构与介质填充层；介质光栅层包本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，其特征在于，由下至上依次设有衬底、介质光栅层、非对称金属光栅结构与介质填充层；/n所述介质光栅层包括若干个等距排列的介质光栅；/n所述非对称金属光栅结构部分覆盖所述介质光栅表面，所述非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构。/n

【技术特征摘要】
1.基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，其特征在于，由下至上依次设有衬底、介质光栅层、非对称金属光栅结构与介质填充层；
所述介质光栅层包括若干个等距排列的介质光栅；
所述非对称金属光栅结构部分覆盖所述介质光栅表面，所述非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构。


2.根据权利要求1所述的基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，其特征在于，所述介质光栅的折射率为1.4～1.7，所述介质光栅的宽度为75～200nm，所述介质光栅的高度为75～300nm，所述介质光栅层的光栅周期为300～800nm。


3.根据权利要求2所述的基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，其特征在于，所述介质光栅层的所述光栅周期为400-600nm。


4.根据权利要求1所述的基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，其特征在于，所述介质填充层相对于所述非对称金属光栅结构表面以上的结构厚度为50-800nm。


5.根据权利要求1所述的基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，其特征在于，所述非对称金属光栅结构的金属度大于50nm，所述非对称金属光栅结构的金属厚度为70～150nm。


6.基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101：在衬底上形成具有若干个等距排列的介质光栅的介质光栅层；
S102：在所述介质光栅层上形成非对称金属光栅结构，所述非对称金属光栅结构部分覆盖所述介质光栅表面，同时，所述非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构；
S103：在所述非对称金属光栅结构的所在空间填充介质并形成介质填充层，所述介质填充层覆盖所述非对称金属光栅结构与所述介质光栅层表面；
S104：对经所述步骤S103获得的样品通过刻蚀工艺刻蚀出耦合器的独立单元。


7.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文杰，卓青霞，刘怡俊，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44