一種反射式等離子體納米結構光開關及其制備方法與流程

本發(fā)明涉及到光電技術領域，具體的說是一種反射式等離子體納米結構光開關及其制備方法。

背景技術：

光開關是一種對光信號進行開關轉換的器件，它能夠對光纖或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作，在光學網絡中有著至關重要的作用。由于效率高、噪聲小，基于非線性光學效應的光開關獲得廣泛而深入的研究，但材料的非線性效應要求外加高功率的光源（交叉泵浦）或者高強度的信號光源（自泵浦），因此嚴重地限制了其在實際應用中的推廣。

電磁誘導透明（Electromagnetically Induced Transparency, EIT）是原子系統(tǒng)在光場作用下原子發(fā)生能級躍遷時其不同激發(fā)路徑之間相消干涉的一種量子效應。由于EIT在透明頻譜區(qū)域具有尖銳的正常光譜色散，電磁誘導透明效應被廣泛用于慢光、傳感、開關等光信息處理領域（Harris et al., Phys. Today, Vol. 50, pp. 36, 1997）。2008年，Zhang等人在理論上提出利用具有不同阻尼因子的金屬納米結構（等離子體耦合共振器）來實現(xiàn)類EIT效應（Zhang et al., Phys. Rev. Lett. Vol. 101, pp. 047401, 2008），隨后Liu等人利用納米制備技術從實驗上證實了這一效應（Liu et al., Nat. Mater. Vol. 8, pp. 758-762, 2009）。不同等離子體共振器的近場耦合替代了原子系統(tǒng)中的泵浦場，消除了原子系統(tǒng)中實現(xiàn)EIT效應的苛刻實驗條件，降低了電磁誘導透明效應在光學器件應用中的門檻。最近有人提出一種基于等離子體EIT效應的豎直堆垛金屬納米線結構的透射式光開關，利用改變普克爾斯盒的加載電壓控制入射光的偏振，從而實現(xiàn)對透射光一開一關的超快主動控制（申請?zhí)枺篊N 102466899）。但是，由于阻抗不匹配，在界面處會有反射帶來能量損耗，導致這種透射式光開關的消光比不高（即透過率低），而且這種豎直堆垛式結構要求制備方法復雜，制備條件苛刻（Liu et al., Nat. Mater. Vol. 8, pp. 758-762, 2009）。

技術實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有透射式光開關消光比低等問題，本發(fā)明提供了一種反射式等離子體納米結構光開關及其制備方法，該光開關基于一種平面等離子體納米結構的等離子體誘導反射（Plasmon-Induced Reflectance, PIR）效應，實現(xiàn)了利用入射光偏振來控制光開關的打開和關閉，從而避免了現(xiàn)有透射式光開關存在的消光比低的問題。

本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種反射式等離子體納米結構光開關，包括用于改變入射光偏振方向的偏振調制器件和等離子體納米結構，所述等離子體納米結構包括底層的金屬薄膜、中間層的電介質薄膜和分布在電介質薄膜上表面的若干金屬納米環(huán)，且金屬納米環(huán)對稱分布并形成周期排布的金屬納米環(huán)陣列，所述金屬納米環(huán)陣列在一個方向上的排列周期為金屬納米環(huán)共振波長的0.92~0.97倍，而在與該方向垂直的另外一個方向上的排列周期小于等于金屬納米環(huán)共振波長的0.8倍或大于等于金屬納米環(huán)共振波長的1.15倍。

所述金屬薄膜和金屬納米環(huán)的材質為貴族金屬，如金、銀或銅等。

所述電介質薄膜的材質為介電材料，如二氧化硅、氧化鋁或氧化鎂等。

所述金屬納米環(huán)的內徑為80nm，壁厚為40nm，金屬納米環(huán)在相互垂直的兩個方向的周期分別為900nm和1250nm，金屬納米環(huán)陣列的厚度為40nm，電介質薄膜的厚度為60nm，金屬薄膜的厚度為200nm。

所述用于改變入射光偏振方向的偏振調制器件為普克爾斯盒、TN液晶盒或法拉第盒。

所述等離子體納米結構光開關的制備方法，首先制備出等離子體納米結構，然后將其與用于改變入射光偏振方向的偏振調制器件組合即得到該產品，等離子體納米結構的制備方法為，首先取基底層，并在基底層上依次沉積金屬薄膜和電介質薄膜，然后在電介質層上利用電子束刻蝕方法（electron beam Lithography, EBL）制備出一層金屬納米環(huán)陣列，即得到等離子體納米結構。

所述金屬薄膜和電介質薄膜的沉積采用物理氣相沉積方法。

所述利用電子束刻蝕方法制備金屬納米環(huán)陣列的具體操作為：

1）在電介質薄膜上表面旋涂PMMA，以形成一層電子抗蝕劑層；

2）在電子抗蝕劑表面旋涂導電液后，利用電子束刻蝕出所需的納米環(huán)結構陣列圖案，除去導電液，得到圖案化的電子抗蝕劑；

3）以圖案化的電子抗蝕劑為掩膜版，在其上沉積一層金屬薄膜；

4）除去電子抗蝕劑，從而使沉積的金屬薄膜變?yōu)榻饘偌{米環(huán)陣列。

本發(fā)明涉及到的等離子體納米結構，在x-偏振光入射下納米環(huán)產生具有電偶極子輻射特征的局域表面等離子體共振（Localized surface plasmon resonance, LSPR）光譜響應；同時，LSPR在底部金屬層產生鏡像作用，導致一種具有磁偶極子輻射特征的共振模式激發(fā)，這兩種共振模式的近場發(fā)生耦合，導致入射光全部耦合到等離子體納米結構中，無反射光被探測（反射率R < 8%）。

在相同波長的y-偏振光入射下，由于納米環(huán)陣列在該方向上的排列周期與納米環(huán)結構LSPR共振波長近似相等，從而滿足動量匹配條件，導致沿著底部金屬膜表面?zhèn)鞑サ姆蔷钟蛐偷入x子體模式（surface plasmon polariton, SPP）激發(fā)，相比LSPR模式，SPP具有低輻射損耗特性。兩個模式的共振波長在頻域交疊，二者之間的相消干涉導致PIR效應出現(xiàn)，以至于入射光幾乎全部被等離子體納米結構反射（反射率R > 95%）。

所述等離子體納米結構，在y-偏振光入射下，兩個共振模式發(fā)生相消干涉，PIR效應發(fā)生，導致入射光幾乎全部被反射，實現(xiàn)了對光開關“開”狀態(tài)的控制；當調控偏振方向到x-偏振時，PIR效應消失，同時由于LSPR在金屬膜中的鏡像作用，導致入射光全部耦合到中間介電層，無反射光出現(xiàn)，實現(xiàn)對光開關“關”狀態(tài)的控制。

與現(xiàn)有透射式光開關相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

1）本發(fā)明利用由金屬薄膜、電介質薄膜和金屬納米環(huán)陣列形成的平面等離子體納米結構，在入射光以不同偏振方向照射到該等離子體納米結構上時，能夠被全部反射或全部吸收，從而形成對反射光“開”或“關”控制；

2）本發(fā)明通過對等離子體納米結構反射光的檢測完成光開關的“開”和“關”兩種狀態(tài)，相比較于透射式光開關消光比不高的問題，本發(fā)明具有更大的消光比系數(shù)(>11)，且平面等離子體納米結構易于制備，方便集成到光學回路，可廣泛應用于鼠標、打印機、復印機、開關掃描儀、軟盤驅動器、非接觸式開關直接板、感應潔具以及感應水龍頭等場合。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所涉及的等離子體納米結構的結構示意圖；

圖2為本發(fā)明所涉及的等離子體納米結構在不同偏振光入射下的反射光譜；

圖3為普克爾斯盒的結構示意圖；

圖4為本發(fā)明光開關“關”狀態(tài)的示例圖；

圖5為本發(fā)明光開關“開”狀態(tài)的示例圖；

圖中標記：1、金屬薄膜層，2、電介質薄膜層，3、金屬納米環(huán)陣列，301、納米環(huán)，4、偏振調制器件，5、等離子體納米結構，E(x)表示入射光的電場方向沿x軸，H(y)表示入射光的磁場方向沿y軸，K(z)表示入射光的傳播方向沿z軸，P_x表示納米環(huán)在x軸方向上的排列周期，P_y表示納米環(huán)在y軸方向上的排列周期，x表示x軸方向，y表示y軸方向，z表示z軸方向。

具體實施方式

本發(fā)明涉及到一種反射式等離子體納米結構光開關及其制備方法，下面結合附圖和具體實施方式對該發(fā)明做進一步說明。

一種反射式等離子體納米結構光開關，包括用于改變入射光偏振方向的偏振調制器件4和等離子體納米結構5，所述等離子體納米結構5包括底層的金屬薄膜1、中間層的電介質薄膜2和周期性分布在電介質薄膜2上表面的若干金屬納米環(huán)301，且金屬納米環(huán)301對稱分布并形成周期排布的金屬納米環(huán)陣列3，所述金屬納米環(huán)陣列3在一個方向上的排列周期為金屬納米環(huán)301共振波長的0.92~0.97倍，而在與該方向垂直的另外一個方向上的排列周期小于等于金屬納米環(huán)301共振波長的0.8倍或大于等于金屬納米環(huán)301共振波長的1.15倍；

上述反射式等離子體納米結構光開關的制備方法，首先制備等離子體納米結構5，然后將其與用于改變入射光偏振方向的偏振調制器件4組合即得到產品，所述等離子體納米結構5的制備方法為：取一基底層，并在基底層上依次沉積一層金屬薄膜1和一層電介質薄膜2，然后在電介質薄膜2上利用電子束刻蝕方法制備出金屬納米環(huán)陣列3，即得到等離子體納米結構。

以上為本發(fā)明的基本實施方式，可在以上基礎上做進一步的優(yōu)化、改進和限定：

如，所述金屬薄膜1和金屬納米環(huán)301的材質為貴族金屬，如金、銀或銅等；

又如，所述電介質薄膜2的材質為介電材料，如二氧化硅、氧化鋁或氧化鎂等；

再如，所述金屬納米環(huán)301的內徑為80nm，壁厚為40nm，金屬納米環(huán)301在相互垂直的兩個方向的周期分別為900nm和1250nm，金屬納米環(huán)陣列3的厚度為40nm，電介質薄膜2的厚度為60nm，金屬薄膜1的厚度為200nm；

再如，所述用于改變入射光偏振方向的偏振調制器件4為普克爾斯盒、TN液晶盒或法拉第盒；

又再如，所述金屬薄膜1和電介質薄膜2的沉積采用物理氣相沉積方法；

最后，所述利用電子束刻蝕方法制備金屬納米環(huán)陣列的具體操作為：

1）在電介質薄膜2的上表面旋涂PMMA，以形成一層電子抗蝕劑層；

2）在電子抗蝕劑表面旋涂導電液后，利用電子束刻蝕出所需的納米環(huán)結構陣列圖案，除去導電液，得到圖案化的電子抗蝕劑；

3）以圖案化的電子抗蝕劑為掩膜版，在其上沉積一層金屬薄膜；

4）除去電子抗蝕劑，從而使沉積的金屬薄膜變?yōu)榻饘偌{米環(huán)陣列3。

下面結合具體的實施例對本發(fā)明的技術方案做進一步的闡述。

利用有限元電磁仿真軟件Comsol Multiphysics的RF模塊模擬等離子體納米結構的光學性能。仿真模型中，構建一個結構單元，通過在x-y平面設置周期性邊界條件來模擬整個結構陣列。其中，平面電磁波沿z軸方向垂直入射到結構上，電磁波偏振方向沿x軸或y軸（如圖1所示），并且在傳播方向設置完美匹配層（PML）以用于消除非物理的邊界反射。

所述等離子體納米結構的幾何尺寸具體如下：金屬納米環(huán)301的內徑為R₁ = 80nm，外徑為R₂ = 120nm，其在相互垂直的兩個方向上的排列周期分別為P_x = 900nm和P_y = 1250nm，金屬納米環(huán)301的厚度為H₁ = 40nm，電介質薄膜2的厚度為H₂ = 60nm，金屬薄膜1的厚度為H₃ = 200nm。

所述等離子體納米結構中金屬材料選用貴金屬金（Au），其在不同波段下的介電系數(shù)選自于實驗數(shù)據(jù)（Johnson et al., Physical review B, 1972, 6(12): 4370）；中間層的電介質薄膜2的材料選用二氧化硅（SiO₂），其介電系數(shù)取ε = 2.25。

所述等離子體納米結構在不同偏振光垂直入射下的反射光譜如圖2所示。在x-偏振光激發(fā)下，位于λ = 1324nm附近的入射光幾乎全部被耦合到等離子體納米結構中，無反射光被探測；當改變光偏振沿y-軸方向時，相同波長的入射光幾乎全部被反射（反射率R > 95%）。

所述用于改變入射光偏振方向的普克爾斯盒的示意圖如圖3所示，可通過改變其加載電壓來調控透過普克爾斯盒的入射光的偏振方向。

本發(fā)明光開關的示例圖如圖4和圖5所示，其中把普克爾斯盒放置于等離子體納米結構的前端。當普克爾斯盒上沒有加載電壓時，透過普克爾斯盒的激發(fā)光的偏振方向仍沿x軸方向，此時無反射光，相當于光開關的“關”狀態(tài)；當加載電壓為V_g時，透過普克爾斯盒的激發(fā)光的偏振方向改變?yōu)檠?i>y軸方向，此時入射光幾乎被全部反射，相當于光開關的“開”狀態(tài)。

本實施例中等離子體納米結構的制備方法，可采用下列步驟：

（1）采用玻璃作為基底層，潔凈處理后，在基底層上利用直流磁控濺射技術依次氣相沉積金薄膜和二氧化硅薄膜，具體操作為：

a.所用工作氣體為純氬氣（Ar），靶材為高純度的金，基片與靶材的距離約為140mm，鍍膜時基片溫度為室溫。首先抽真空，當本底真空為1.8×10^-3 Pa，真空室氣壓為0.3Pa時，打開直流電源開始濺射。電壓為320V，電流為0.05A，金薄膜沉積速率約為2.06nm/min，沉積時間約為97min；

b.選用上述步驟（1）制備的金薄膜為基底，在基底上濺射二氧化硅薄膜。靶材為高純度的單晶硅，工作氣體為高純氬氣，反應氣體為高純氧氣，本底真空為3.0×10^-3Pa，工作氣壓為1.2Pa，氧含量為40%，濺射功率為80W，SiO₂薄膜沉積速率約為5nm/min，沉積時間約為12min；

（2）把步驟（1）制備的樣品作為基底，利用電子束刻蝕技術在其上刻蝕金屬納米環(huán)陣列，具體操作為：

a.在Au/SiO₂薄膜的電介質上表面旋涂40nm厚的PMMA（正電子抗蝕劑）；

b.利用電子束（電流約為1.98nA） 在PMMA上刻蝕出納米環(huán)陣列結構，其中環(huán)的內徑和外徑分別為80nm和120nm，排列周期分別為900nm和1250nm；

c.潔凈處理并用N₂烘干后，首先利用CVC電子蒸發(fā)器沉積一層鉻作為粘連層，然后再沉積一層金；

d.去除電子抗蝕劑，得到Au納米環(huán)/SiO₂/Au膜等離子體結構。

除以上實施例外，可在其基礎上做進一步的改進、優(yōu)化和限定：

如，所述金屬薄膜1和金屬納米環(huán)3的材質還可以選銀或銅等貴族金屬；

又如，所述電介質薄膜2的材質也可以選氧化鋁或氧化鎂等介電材料；

又如，所述等離子體納米結構5的幾何參數(shù)，包括納米環(huán)301的內徑、外徑、排列周期、厚度以及中間層電介質薄膜和底層金屬膜的厚度，可以根據(jù)實際需要的等離子體光開關的響應波長進行調節(jié)；

再如，所述用于改變入射光偏振方向的偏振調制器件4不僅限于普克爾斯盒，也可以為TN液晶盒、法拉第盒等；

再如，制備所述金屬薄膜1和電介質薄膜2也可以采用化學氣相沉積法制備；

再如，所述制備金屬納米環(huán)陣列3的方法不僅限于電子束刻蝕方法，也可以采用聚焦離子束刻蝕技術（focused ion beam, FIB）、納米壓印技術等方法。