一種表面等離激元單向耦合和分束器件及制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種表面等離激元單向耦合和分束器件及制備方法，該器件應用可能 包括但不限于集成光學芯片的開關路由、偏振編碼的光子信息處理、量子計算信息技術。
【背景技術】
[0002] 光纖的興起使人們進入了高速信息傳遞的時代，同時，傳統半導體集成電子芯片 經過長足的發展，逐漸逼近理論的微觀尺寸極限，在這個極限上出現的發熱和時延等問題 制約著集成電子芯片運算性能的提高，如果使用光子取代電子進行信息處理或傳輸，將極 大提高控制和計算效率，帶來十分廣闊的應用想象空間。
[0003] 表面等離激元(31^€306口1381110即〇131'；[1：011，3??)被形象地稱為"金屬-電介質分 界面上的光"，起源于光子與金屬表面導帶電子的相互耦合，為科學家提供了一種在微納尺 度調控光子的重要方法，其重要特性在于能夠突破光學衍射極限，將光場局限在深亞波長 區域，獲得極大的局域場增強，因此，能夠縮小器件尺寸，降低器件工作的最低能量損耗，基 于表面等離激元設計光子器件方面取得了許多激動人心的研究成果，如納米光源、天線、存 儲器、傳感器等，基于表面等離激元的科學技術被認為是設計實現集成光學芯片的一種重 要的可能途徑。
[0004] 表面等離激元單向耦合器能夠將自由傳播的光波耦合并轉換成集成芯片上的表 面等離激元，同時有效控制其傳播方向，削弱相反方向的傳輸，從而在集成光路芯片工作中 抑制不必要的干擾，已經引起前沿科學的廣泛關注。
[0005] 量子信息領域與表面等離激元領域的結合是前沿科學研究的一個新興熱點，研究 顯示單個表面等離激元激元在傳播過程能夠保持量子相干性，偏振調控的表面等離激元耦 合器件提供了重要的平臺，可能將攜帶偏振信息的光子比特轉換為表面等離激元，有望拓 展表面等離激元器件在量子信息領域的研究和應用。
【發明內容】
[0006] 本發明所要解決的技術問題是提供一種表面等離激元單向耦合和分束器件。
[0007] 上述技術問題通過以下方案解決：
[0008] -種表面等離激元單向耦合和分束器件，包括上層金屬光柵、下層金屬光柵以及 設置在所述上層金屬光柵、所述下層金屬光柵之間的中間介質層;所述上層金屬光柵由按 二維晶格周期性排列的若干個金屬塊構成;所述下層金屬光柵為金屬平板，所述下層金屬 光柵設有按所述二維晶格周期性排列的若干個金屬孔;所述若干個金屬塊與所述若干個金 屬孔 相對，相對的所述金屬塊與所述金屬孔在與所述下層金屬光柵垂直的方向上存在 錯位。
[0009] 其中，所述中間介質層由與所述若干個金屬孔--對應的若干個傾斜的介質柱構 成，所述介質柱生長在對應的金屬孔中并支撐與該金屬孔對應的金屬塊。
[0010] 其中，所述介質柱的任一橫截面尺寸都小于所述金屬塊的橫截面尺寸、所述金屬 孔的橫截面尺寸。
[0011]其中，所述金屬塊的橫截面尺寸與所述金屬孔的橫截面尺寸一致。
[0012]其中，所述金屬塊、所述金屬孔的橫截面均為相同的正方形或菱形。
[0013] 其中，所述金屬塊的厚度與所述金屬孔的厚度一致。
[0014] 其中，所述二維晶格為四方晶格或二角晶格或六角晶格。
[0015] 其中，所述中間介質層為與所述上層金屬光柵、所述下層金屬光柵均連接的介質 塊。
[0016] 上述表面等離激元單向耦合和分束器件，可以作為光學天線將自由空間光波耦合 并轉換為平面內傳播的表面等離激元；當晶格方向上入射光偏振分量和錯位分量同時不為 零時，可以激發該方向上單向傳播的表面等離激元；當多個晶格方向上入射光偏振分量和 錯位分量都同時不為零時，可以激發單向分束傳播的表面等離激元;從而，可以通過對入射 光偏振方向的動態調控，實現表面等離激元傳輸方向可控的單向傳輸或分束功能。
[0017] 本發明還提供一種表面等離激元單向耦合和分束器件的制備方法，包括以下步 驟：
[0018] 1)在石英片上旋涂一層粘附層；
[0019] 2)在光刻膠不敏感的環境中，在粘附層上旋涂一層光刻膠層；
[0020] 3)使用傾斜的雙光束或多光束干涉對光刻膠層進行一次或多次的全息曝光，經過 顯影得到按二維晶格周期性排列的若干個傾斜的介質柱，該若干個介質柱;構成所述中間 介質層；
[0021] 4)沿著介質柱傾斜的方向先后進行兩次金屬陰影沉積，得出位于粘附層上的金屬 平板和一一對應地位于若干個介質柱上端的若干個金屬塊，金屬平板作為所述下層金屬光 柵，若干個金屬塊構成所述上層金屬光柵。
[0022] 其中，通過調控雙光束或多光束的入射角度來調控若干個介質柱的晶格周期，通 過調控曝光時間和顯影時間來調控介質柱的橫截面尺寸。
[0023]其中，上述步驟4)具體為:對光刻膠層做相互正交的兩次傾斜雙光束干涉全息曝 光，兩次曝光得到的光柵周期方向相互正交，兩次曝光都使入射的雙光束角平分線與石英 片表面的法線方向成A角度，0〈A〈90。該步驟是具體制作按四方晶格周期性排列的若干個介 質柱。
[0024] 其中，所述粘附層的材料為聚甲基丙烯酸甲酯或聚乙稀或聚丙稀。
[0025] 其中，采用電子束蒸鍍進行金屬陰影沉積。
[0026] 其中，第一次金屬陰影沉積選用的金屬為鎳或鉻，第二次金屬陰影沉積選用的金 屬為黃金或銀或白金。使用鎳或鉻進行第一次金屬陰影沉積，可以得到一層金屬粘附層，便 于第二次金屬陰影沉積所使用的貴金屬(黃金或銀或白金)更穩定地粘連。
【附圖說明】
[0027] 圖1為采用介質柱作為中間介質層的其中一種表面等離激元單向耦合和分束器件 的俯視結構示意圖；
[0028]圖2為圖1沿A-A的剖視圖；
[0029]圖3為采用介質塊作為中間介質層的其中一種表面等離激元單向耦合和分束器件 的剖視結構示意圖；
[0030]圖4為石英片、粘附層、光刻膠層的連接示意圖；
[0031]圖5為在光刻膠層曝光顯影形成其中一種具體結構的傾斜的四方晶格介質柱陣列 (5X5周期陣列)沿對角線的截面示意圖；
[0032] 圖6為在光刻膠層曝光顯影形成另一種具體結構的傾斜的四方晶格介質柱陣列的 俯視角度電子顯微鏡圖；
[0033] 圖7為在光刻膠層曝光顯影形成另一種具體結構的傾斜的四方晶格介質柱陣列的 傾斜角度電子顯微鏡圖；
[0034] 圖8為沿四方晶格介質柱陣列（5X5周期陣列)傾斜方向陰影沉積金屬的俯視示意 圖；
[0035]圖9為圖8沿B-B線的剖視圖；
[0036]圖10為雙光束干涉全息曝光的光路示意圖；
[0037]圖11為其中一個具體結構的表面等離激元單向耦合和分束器件的俯視電子顯微 鏡圖；
[0038] 圖12為其中一個具體結構的表面等離激元單向耦合和分束器件的傾斜角度電子 顯微鏡圖；
[0039] 圖13為在入射光沿（1，1)方向偏振時的模擬場分布圖（器件為5x5周期陣列，工作 波長780nm，表現出單向的分束功能）；
[0040] 圖14為在入射光沿（1，1)方向偏振時的遠場光學反/散射測量圖像(器件為5x5周 期陣列，工作波長780nm，表現為單向的分束功能）。
【具體實施方式】
[0041] 如圖1至圖3所示，一種表面等離激元單向耦合和分束器件(在【具體實施方式】中簡 稱為器件），包括上層金屬光柵1、下層金屬光柵2以及設置在上層金屬光柵1、下層金屬光柵 2之間的中間介質層3;上層金屬光柵1由按二維晶格周期性排列的若干個金屬塊11構成;下 層金屬光柵2為金屬平板，下層金屬光柵2設有按所述二維晶格周期性排列的若干個金屬孔 21;若干個金屬塊11與若干個金屬孔21 相對，相對的金屬塊11與金屬孔21在與下層金 屬光柵2垂直的方向上存在錯位，形成錯位間隙121。
[0042] 在其中一個實例中，如圖3所示，中間介質層3為與上層金屬光柵1、下層金屬光柵2 均連接的一介質塊。
[0043] 在其中一個實例中，如圖1和圖2所示，中間介質層3由與若干個金屬孔21--對應 的若干個傾斜的介質柱31構成，介質柱31生長在對應的金屬孔21中并支撐與該金屬孔21對 應的金屬塊11，即介質柱31沿金屬孔21朝向對應的金屬塊11的方向傾斜。
[0044] 由上述描述可知，若干個金屬孔21、若干個介質柱31和若干個金屬塊11都是按二 維晶格周期性排列，為了便于描述，將按二維晶格周期性排列的若干個金屬孔21、若干個介 質柱31、若干個金屬塊11對應稱為金屬孔陣列、介質柱陣列、金屬塊陣列。
[0045] 上述表面等離激元單向親合和分束器件的設計原理如下：
[0046] 沿垂直上述器件所在的平面的方向（亦為垂直下層金屬光柵2的方向），自由空間 光線入射上述器件時，分別激發金屬塊11、金屬孔21的局域表面等離子體共振(Localized surface plasmon resonance，LSPR)，同時二維晶格周期性結構提供了平面內傳播的伍德 異常(Wood's Anomaly，WA)模式，WA傳播過程中與金屬塊11或金