基于电子浓度空间分布的光调制器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于电子浓度空间分布的光调制器及其制备方法和应用，特点是由从下至上依次排列的基底、第一金属光栅、第一绝缘层、掺杂半导体层、第二绝缘层和第二金属光栅组成，所述的掺杂半导体层由并列设置的半导体光栅和传输层组成，所述的第一金属光栅包括多个第一金属栅条，所述的第二金属光栅设置有与所述的第一金属栅条数量相同并一一对应的第二金属栅条；优点是对于不同的工作波长，选择合适的电子浓度分布周期，都能进行调制，实现宽带的表面等离激元幅度调制，有利于进一步提高调制效率和深度、缩小器件的尺寸，该光调制器在未来的高密集光通信，光电集成以及光传感领域有着广大的应用前景。领域有着广大的应用前景。领域有着广大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
基于电子浓度空间分布的光调制器及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及光调制器领域，尤其是一种基于电子浓度空间分布的光调制器及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]通过外加电场或光场，光调制器可以实现对光的偏振、频率、振幅以及相位等特性的调制，在集成光信息处理系统中扮演着非常重要的角色。表面等离激元(SPPs)是一种由于光波和金属表面电荷相互作用而形成的沿着金属表面传播的光波模式，将表面等离激元与传统的光调制效应相结合可以进一步增强光与电介质的相互作用，从而提高调制效率，因此，基于表面等离激元的光调制器受到了广大研究学者的青睐。
[0003]基于表面等离激元对电子浓度的依赖性，利用电子浓度分布实现对光的光调制是一个很新颖并且很有意义的研究方向。由于金属中的电子浓度很难进行调节，所以基于电子浓度分布调控的光调制器都是研究二维材料、掺杂半导体材料或者透明氧化物等材料中的电子浓度分布调控。而掺杂半导体材料在现代光电集成领域的应用有着巨大的潜力，因此，对于掺杂半导体电子浓度的分布研究有着非常重要的意义。
[0004]基于电子浓度变化的调制效应不仅来源于整体电子浓度的变化，它对具有波长相当尺度的空间电子浓度分布变化同样有着非常显著的影响。和整体电子浓度调控相比，空间电子浓度分布调控与表面等离激元的相互作用更强、调制效率更高，但是目前对于掺杂半导体材料中的电子浓度调控都是基于整体的电子浓度调控，导致基于掺杂半导体材料制作的器件尺寸比较大、调制深度比较小。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于电子浓度周期性分布调控的光调制器及其制备方法，不但可以获得较高的调制深度以及较小的器件尺寸，而且对于不同的工作波长，只要选择合适的电子浓度空间分布周期，还可以实现一个宽带调制。
[0006]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于电子浓度空间分布的光调制器，由从下至上依次排列的基底、第一金属光栅、第一绝缘层、掺杂半导体层、第二绝缘层和第二金属光栅组成，所述的掺杂半导体层由并列设置的半导体光栅和传输层组成，所述的第一金属光栅包括多个第一金属栅条，所述的第二金属光栅设置有与所述的第一金属栅条数量相同并一一对应的第二金属栅条。
[0007]所述的基底的材料为石英或硅或玻璃中的一种，所述的第一金属光栅的厚度为100~250nm，所述的第一金属光栅的材料为金或银或铝中的一种，所述的第一绝缘层的厚度为200~500nm，所述的第一绝缘层的材料为二氧化硅或氟化钙或氟化镁中的一种，所述的掺杂半导体层的厚度为50~100nm，所述的掺杂半导体层的材料为氧化铟锡或砷化镓或磷化铟中的一种，所述的第二绝缘层的厚度为200~500nm，所述的第二绝缘层的材料为二氧化硅或氟化钙或氟化镁中的一种，所述的第二金属光栅的厚度为100~250nm，所述的第二金属光栅
的材料为材料为金或银或铝中的一种。
[0008]所述的第一金属光栅位于所述的传输层的正下方，所述的第二金属光栅位于所述的传输层的正上方，所述的第一金属光栅包括至少两个第一金属栅条，所述的第一金属栅条的尺寸及阵列布置方式与所述的第二金属栅条的尺寸及阵列布置方式相同。第一金属栅条与第二金属栅条的尺寸及阵列布置方式相同时能产生更大的周期电场，对于电子浓度分布的调制效果更好。
[0009]所述的半导体光栅设置有与所述的第一金属栅条的数量及阵列布置方式均相同的光栅条。半导体光栅的作用是为了激发表面等离激元，实现波矢匹配，激发的表面等离激元在传输层表面传输，半导体光栅的周期决定了传播的表面等离激元的波长，第一金属光栅的周期决定了空间电子浓度分布的周期，当传输层表面的空间电子浓度分布周期和表面等离激元的波长尺寸相当时，调制效果更好，所以当第一金属栅条的阵列布置方式和光栅条的阵列布置方式相同时更为合适。
[0010]所述的一种基于电子浓度空间分布的光调制器的制备方法，包括以下步骤：步骤1）：选取一块基底并洗净，在洗净后的基底上均匀涂抹一层负性光刻胶，将第一光栅掩膜版放置在负性光刻胶的表面，并利用紫外光刻方法进行第一次曝光，对第一次曝光后的基底进行第一次显影处理，得到第一光栅光刻胶模板；步骤2）：利用热蒸镀方法在第一光栅光刻胶模板表面镀一层金属材料，将镀有金属材料的基底放置于丙酮溶液中，并轻轻摇晃，去除负性光刻胶，得到第一金属光栅；步骤3）：在第一金属光栅表面利用热蒸镀方法镀上一层第一绝缘层；步骤4）：在第一绝缘层的表面均匀涂抹一层负性光刻胶，将第二光栅掩膜版放置在负性光刻胶的表面，并利用紫外光刻方法进行第二次曝光，对第二次曝光后的基底进行第二次显影处理，得到第二光栅光刻胶模板；步骤5）：利用热蒸镀方法在第二光栅光刻胶模板表面镀一层掺杂半导体材料，并置于丙酮溶液中浸泡，去除负性光刻胶，得到掺杂半导体材料层，所述的掺杂半导体层由并列设置的半导体光栅和传输层组成；步骤6）：在掺杂半导体层表面利用热蒸镀方法镀上一层第二绝缘层；步骤7）：在第二绝缘层的表面均匀涂抹一层负性光刻胶，将第三光栅掩膜版放置在负性光刻胶的表面，并利用紫外光刻方法进行第三次曝光，对第三次曝光后的基底进行第三次显影处理，得到第三光栅光刻胶模板；步骤8）：利用热蒸镀方法在第三光栅光刻胶模板表面镀一层金属材料，将镀有金属材料的基底放置于丙酮溶液中，并轻轻摇晃，去除负性光刻胶，得到第二金属光栅，最终完成光调制器的制备。
[0011]所述的负性光刻胶为100~200nm厚的SU
‑
8。
[0012]所述的基底的材料为石英或硅或玻璃中的一种，所述的第一金属光栅的厚度为100~250nm，所述的第一金属光栅的材料为金或银或铝中的一种，所述的第一绝缘层的厚度为200~500nm，所述的第一绝缘层的材料为二氧化硅或氟化钙或氟化镁中的一种，所述的掺杂半导体层的厚度为50~100nm，所述的掺杂半导体层的材料为氧化铟锡或砷化镓或磷化铟中的一种，所述的第二绝缘层的厚度为200~500nm，所述的第二绝缘层的材料为二氧化硅或氟化钙或氟化镁中的一种，所述的第二金属光栅的厚度为100~250nm，所述的第二金属光栅
的材料为材料为金或银或铝中的一种。
[0013]所述的第一金属光栅位于所述的传输层的正下方，所述的第二金属光栅位于所述的传输层的正上方，所述的第一金属光栅包括至少两个第一金属栅条，所述的第一金属栅条的尺寸及阵列布置方式与所述的第二金属栅条的尺寸及阵列布置方式相同。
[0014]所述的半导体光栅设置有与所述的第一金属栅条的数量及阵列布置方式均相同的光栅条。
[0015]所述的一种基于电子浓度空间分布的光调制器在光调制、光电探测以及光传感的应用，具体方法如下：将TM偏振光垂直入射在所述的半导体光栅上，激发的表面等离激元在所述的传输层上传输，将所述的第一金属光栅中单数金属栅条和所述的第二金属光栅中双数金属栅条接外接电源的正极，将所述的第一金属光栅中双数金属光栅和所述的第二金属光栅中单数金属栅条接外接电源的负极，通过调节外加电源的电压来控本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电子浓度空间分布的光调制器，其特征在于由从下至上依次排列的基底、第一金属光栅、第一绝缘层、掺杂半导体层、第二绝缘层和第二金属光栅组成，所述的掺杂半导体层由并列设置的半导体光栅和传输层组成，所述的第一金属光栅包括多个第一金属栅条，所述的第二金属光栅设置有与所述的第一金属栅条数量相同并一一对应的第二金属栅条。2.根据权利要求1所述的一种基于电子浓度空间分布的光调制器，其特征在于所述的基底的材料为石英或硅或玻璃中的一种，所述的第一金属光栅的厚度为100~250nm，所述的第一金属光栅的材料为金或银或铝中的一种，所述的第一绝缘层的厚度为200~500nm，所述的第一绝缘层的材料为二氧化硅或氟化钙或氟化镁中的一种，所述的掺杂半导体层的厚度为50~100nm，所述的掺杂半导体层的材料为氧化铟锡或砷化镓或磷化铟中的一种，所述的第二绝缘层的厚度为200~500nm，所述的第二绝缘层的材料为二氧化硅或氟化钙或氟化镁中的一种，所述的第二金属光栅的厚度为100~250nm，所述的第二金属光栅的材料为材料为金或银或铝中的一种。3.根据权利要求1所述的一种基于电子浓度空间分布的光调制器，其特征在于所述的第一金属光栅位于所述的传输层的正下方，所述的第二金属光栅位于所述的传输层的正上方，所述的第一金属光栅包括至少两个第一金属栅条，所述的第一金属栅条的尺寸及阵列布置方式与所述的第二金属栅条的尺寸及阵列布置方式相同。4.根据权利要求3所述的一种基于电子浓度空间分布的光调制器，其特征在于所述的半导体光栅设置有与所述的第一金属栅条的数量及阵列布置方式均相同的光栅条。5.权利要求1所述的一种基于电子浓度空间分布的光调制器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1）：选取一块基底并洗净，在洗净后的基底上均匀涂抹一层负性光刻胶，将第一光栅掩膜版放置在负性光刻胶的表面，并利用紫外光刻方法进行第一次曝光，对第一次曝光后的基底进行第一次显影处理，得到第一光栅光刻胶模板；步骤2）：利用热蒸镀方法在第一光栅光刻胶模板表面镀一层金属材料，将镀有金属材料的基底放置于丙酮溶液中，去除负性光刻胶，得到第一金属光栅；步骤3）：在第一金属光栅表面利用热蒸镀方法镀上一层第一绝缘层；步骤4）：在第一绝缘层的表面均匀涂抹一层负性光刻胶，将第二光栅掩膜版放置在负性光刻胶的表面，并利用紫外光刻方法进行第二次曝光，对第二次曝光后的基底进行第二次显影处理，得到第二光栅光刻胶模板；步骤5）：利用热蒸镀方法在第二光栅光刻胶模板表面镀一层掺杂半导体材料，并置于丙酮溶液中浸泡，去除负性光刻胶，得到掺杂半导体材料层，所述的掺杂半导体...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡雪芳，孙德超，阳思思，
申请(专利权)人：宁波财经学院，
类型：发明
国别省市：