動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸線的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸線。傳輸線是以支持表面等離激元信號的狹縫波導和電調單元為基本單元，在同一基板中以納米級間距平行分布組成，狹縫波導具有十字交叉的波導結構，包括高折射率頂板、低折射率介質、金屬凸起線和金屬基板，金屬凸起線置于金屬基板的條形槽中形成凸起結構，金屬凸起線下端連接電調單元。本發明實現了表面等離激元信號納米級的約束，減小了傳輸線器件的大小和并行傳輸線耦合串擾，實現了納米間距的并行傳輸線，大大提高了單位空間的信號傳輸率，且具有結構簡單、消光比高等優點。
【專利說明】
動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸線
技術領域
[0001] 本發明涉及光電子技術領域，具體涉及一種動態可調的納米間距并行結構的表面 等離激元納米傳輸線。
【背景技術】
[0002] 傳輸線(波導)是光電子集成技術中不可缺少的無源器件，片上集成的光電子器件 之間的高速傳輸需要信號傳輸率高的納米級傳輸線。但是由于衍射極限的限制，傳統光信 號傳輸線無法實現亞波長甚至納米級的設計，而且傳統傳輸線之間的耦合串擾較大，這極 大地影響了光電子器件的片上集成和信息互聯。
[0003]表面等離激元傳輸線(波導)是基于表面等離激元的效應設計的一種波導，表面等 離基元是在光子激發情況下金屬表面導帶電子相干集體振蕩形成的一種電磁波模式，這一 特殊的電磁波模式在傳輸界面兩側都受到良好的約束，表面等離激元傳輸線就是根據這一 基本效應突破衍射極限從而實現亞波長即納米尺度的設計。因此表面等離激元傳輸線(波 導)在光電子研究中是一個重要的研究方向。
[0004] 然而，表面等離激元傳輸線的傳播損耗較大，有效傳播距離不長，另外，納米間距 的并行傳輸線之間有一定的信號耦合串擾，會造成傳播信號的失真，這不利于實現片上光 電子器件的深入集成，也大大限制了片上集成單位面積的信息傳輸率。同時，現有表面等離 激元傳輸線功能單一，傳輸的信號不具有動態可調能力，這限制了表面等離激元傳輸線進 一步更廣泛的應用。
【發明內容】
[0005] 針對光電子行業發展的需求和現有技術的不足，本發明提供了一種動態可調的納 米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸線。基于表面等離激元原理提出了十字交叉折射 率的傳輸線的基本結構，可以實現橫向和縱向方向的全方向約束，并可以進一步提高表面 等離激元的局部約束性能，利于器件的小型化，減小了器件之間的相互串擾，并大大增加了 的傳播長度。
[0006] 本發明采用的技術方案如下：
[0007] 所述傳輸線是以支持表面等離激元信號的狹縫波導和電調單元為基本單元，在同 一基板中以納米級間距平行分布組成，如圖3所示，狹縫波導和電調單元組成的基本單元， 狹縫波導具有十字交叉的波導結構。
[0008] 本發明的并行結構是指表面等離激元狹縫波導在同一基板中以納米級間距平行 分布組成。
[0009] 所述納米狹縫波導包括高折射率頂板、低折射率介質、金屬凸起線和金屬基板，高 折射率頂板和金屬基板之間為低折射率介質，金屬基板上開有條形槽，金屬凸起線置于條 形槽中形成凸起結構，金屬凸起線下端連接電調單元。
[0010] 所述的高折射率是指折射率大于2.0。
[0011] 所述的低折射率是指折射率小于1.5。
[0012] 所述金屬凸起線頂面位于金屬基板的頂面和高折射率頂板底面之間，使得狹縫波 導為十字交叉折射率的波導結構，如圖2所示，頂部的頂板是高折射率介質，兩側是低折射 率介質，底部的金屬基板是負折射率介質，中心區域由上方的低折射率介質和下方的負折 射率的金屬凸起線組成。
[0013]由此，本發明的所述納米狹縫結構在高折射率頂板、金屬基板之間，縱向上是由低 折射率介質(空氣介質等)和金屬凸起線構成，表面等離激元信號主要在被約束在高折射率 頂板和金屬凸起線之間的低折射率介質中傳播。
[0014] 本發明中納米狹縫的左右兩側都是低折射率介質（空氣介質等），結合金屬凸起線 能夠有效地約束在橫向上的表面等離激元的電磁場，從而可以減小傳輸線之間的電磁串 擾。
[0015] 所述金屬凸起線凸出于金屬基板的高度通過電調單元電控調整，電調單元控制和 切換金屬凸起線的兩個不同凸出高度的狀態，兩個凸出高度之差小于高折射率頂板底面和 金屬基板頂面之間的距離。
[0016] 所述電調單元包括形成于襯底內部的條形的納米熱敏介質腔和電調裝置，襯底位 于金屬基板底面，金屬基板條形槽下部與納米熱敏介質腔連接相通，金屬凸起線上端伸出 金屬基板條形槽外置于低折射率介質中，金屬凸起線下端嵌入所述納米熱敏介質腔中。
[0017] 所述納米熱敏介質腔中充滿熱敏介質，熱敏介質的體積隨溫度的變化而變化，所 述電調裝置以電加熱的方式控制納米熱敏介質腔中熱敏介質的溫度進行控制金屬凸起線 上下移動調整。
[0018] 所述金屬凸起線凸出于金屬基板的高度小于金屬基板頂面和高折射率頂板底面 之間的距離，金屬基板頂面和高折射率頂板底面之間的距離為lOnm~50nm，金屬凸起線的 寬度為5~20nm〇
[0019] 并行工作的相鄰兩個所述基本單元之間的周期間距大于金屬凸起線的寬度，周期 間距具體為Onm~lOOnm，即相鄰金屬凸起線中心線之間的間距為Onm~lOOnm。
[0020] 所述的金屬基板的厚度為50nm~200nm，襯底的厚度為50~200nm，所述高折射率 頂板的厚度為50nm~100nm 〇
[0021] 所述的熱敏介質可采用液體金屬汞、液體汞合金、NaCl離子液體等熱脹冷縮并具 有熱電效應的介質。
[0022] 具體實施中，金屬傳輸凸起線的橫向寬度為5~20nm，縱向高度為0~50nm，金屬凸 起線不但約束了橫向電磁場分布，還約束了縱向的電磁場分布。金屬凸起線的高度越高，狹 縫縱向寬度越小，狹縫內歸一化電磁場分布密度增大。
[0023]本發明傳輸線的最大有效長度大約在55~80μπι范圍內，比一般等離激元傳輸線有 效傳播長度大。并行傳輸線的有效傳播長度和相鄰傳輸線間的耦合長度和衰減長度有關， 并行傳輸線的有效傳播長度必須小于耦合長度和衰減長度，超出耦合長度和衰減長度的話 信號可能會失真。
[0024]本發明的傳輸線即波導的對稱模式和反對稱模式的傳播常數為0s+ias和βυ+iau， 則耦合長度和衰減長度為：
[0025]
[0026]
[0027]其中，L。是并行傳輸線的耦合長度，LP是并行傳輸線的衰減長度，是并行傳輸線 對稱模式的傳播常數的實部，as是并行傳輸線對稱模式的傳播常數的虛部，&是并行傳輸線 反對稱模式的傳播常數的實部，au是并行傳輸線反對稱模式的傳播常數的虛部。
[0028]本發明傳輸線的設計的有效距離小于耦合長度和衰減長度，保證了傳輸線信號傳 輸不失真和穩定性。在十字交叉折射率結構橫向和縱向全方面的電磁場約束情況下，狹縫 波導內電磁場能量密度變大，狹縫內傳輸的是一種特殊的混合模式，與一般等離激元波導 相比大大提高了耦合長度和衰減長度，增加了傳輸線的有效傳播長度。對波導結構參數進 行優化，包括金屬凸起線的高度、寬度、介質材料等，可以進一步提高有效傳播長度。
[0029] 本發明中，傳輸線根據金屬凸起線的高度(狹縫寬度)存在1態和0態兩種不同的狀 態，用所述〇態和1態表示二進制信息中的〇和1:
[0030] 所述1態指，當加熱裝置保持高溫，納米腔中熱敏介質體積大，低折射率介質層中 金屬凸起線保持較高的高度，此時金屬凸起線與高折射率頂板間的電磁場能量密度大；
[0031] 所述0態指，當加熱裝置保持低溫，納米腔中熱敏介質體積小，低折射率介質層中 金屬凸起線保持較低的高度，此時金屬凸起線與高折射率頂板間的電磁場能量密度小。 [0032] 本發明通過電調單元通過溫度控制實現0態和1態的相互切換，即金屬凸起線的高 度動態可調，從而實現傳輸線"0"信號和"Γ信號的動態轉換功能。納米腔下方有電加熱裝 置，電加熱裝置通過溫度控制熱敏介質體積，改變納米腔體積，從而調制金屬納米線的高 度。電調裝置可以靈活控制傳輸線（狹縫波導）的0、1狀態，實現傳輸線信息動態調制的功 能。
[0033]本發明通過改變金屬凸起線的高度，可靈活地調整縱向上表面等離激元的約束范 圍，并改變電磁場歸一化分布密度。
[0034]本發明在單個傳輸線的基礎上還提出了納米級間距的無串擾的并行工作的平行 傳輸線，并行傳輸線必須相互之間無串擾，否則會相鄰兩條傳輸線之間的信號會相互干擾， 造成數據傳輸的錯誤或丟失。
[0035]本發明為達到納米級間距無串擾的并行傳輸線，狹縫波導所傳輸的是由高折射率 頂板和金屬凸起線間形成的一種對稱的混合模式。由于該并行傳輸線整體支持一個波導模 式，不同的金屬凸起線上的模場只是波導模式的一部分，該模式在基本十字交叉折射率結 構下能實現并行傳輸線納米級間距的無串擾，間距遠遠小于光的波長。所述傳輸線能以納 米級間距的平行陣列的結構并行工作。
[0036]本發明的優點：
[0037]本發明的表面等離激元傳輸線采取十字交叉折射率結構，并通過電調裝置動態控 制傳輸線的狀態。這種傳輸線結構簡單、體積小、串擾小，有較長的有效傳播長度， 能在同一基板上實現納米級間距的超低串擾并行工作，還擁有動態信息調制功能。
【附圖說明】
[0038] 圖1為本實施例傳輸線的二維結構示意圖。
[0039] 圖2為本實施例的十字交叉結構示意圖。
[0040] 圖3為本實施例傳輸線的三維結構示意圖。
[0041]圖4為本實施例的并行表面等離激元傳輸線的結構框圖。
[0042]圖5為"Γ狀態金屬凸起線高度一定時，信號消光比和"0"狀態的金屬凸起線高度 h2關系的仿真圖。
[0043] 圖6為傳輸線有效傳播長度和金屬凸起線寬度關系的仿真圖。
[0044] 圖中：高折射率頂板1、低折射率介質2、金屬凸起線3、金屬基板4、襯底5、納米熱敏 介質腔6、電調裝置7。
【具體實施方式】
[0045] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，下面參照附圖并結合實施 例，對本發明作進一步詳細說明。
[0046] 本發明的實施例及其實施過程如下：
[0047] 具體實施中，如圖1所示，納米狹縫波導包括高折射率頂板1、低折射率介質2、金屬 凸起線3和金屬基板4,高折射率頂板1和金屬基板4之間為低折射率介質，金屬基板4上開有 條形槽，金屬凸起線3置于條形槽中形成凸起結構，金屬凸起線3下端連接電調單元，通過電 調單元控制金屬凸起線3在金屬基板4和高折射率頂板1之間上下移動調整位置。
[0048] 如圖1所示，電調單元包括形成于襯底5內部的條形的納米熱敏介質腔6和電調裝 置7,襯底5位于金屬基板4底面，襯底5作為絕緣層，金屬基板4條形槽下部與納米熱敏介質 腔6連接相通，金屬凸起線3上端伸出金屬基板4條形槽外置于低折射率介質2中，金屬凸起 線3下端嵌入所述納米熱敏介質腔6中，納米熱敏介質腔6由金屬基板、絕緣襯底、金屬凸起 線包圍而成。
[0049] 如圖4所示，金屬凸起線3凸出于金屬基板4的高度通過電調單元電控調整，電調單 元控制和切換金屬凸起線3的兩個不同凸出高度的狀態，兩個凸出高度之差小于高折射率 頂板底面和金屬基板頂面之間的距離。
[0050] 兩個高度不同的狀態分別為狀態0和狀態1，即使得表面等離激元納米傳輸線有兩 個狀態:所述狀態1為金屬凸起線高度高，金屬凸起線和高折射率頂板的狹縫距離較小，狹 縫內電磁場能量密度高;所述狀態〇為金屬凸起線高度低，金屬凸起線和高折射率頂板的狹 縫距離較大，狹縫內電磁場能量密度低。
[0051 ]本實施例中光信號中心波長為1550nm。中心波長為1550nm的頻段為現代光通信的 通用中心光頻段，使其工作頻段與其他光電子器件相兼容。
[0052] 本實施例中金屬基板、金屬凸起納米線的材質為金屬銀(Ag)，金屬Ag能較好地激 發和傳輸表面等離激元信號，并且相比其他金屬有較小的傳輸損耗。頂板和金屬基板之間 的低折射率介質為空氣，空氣介質有利于金屬凸起線的靈活調整。高折射率頂板材質為單 晶硅，絕緣襯底的材質是二氧化硅(Si0 2)，由于現代微電子集成Si工藝相當成熟，所以這能 大大減小表面等離激元傳輸線的工業化制作成本。
[0053] 本實施例低溫狀態下絕緣襯底和金屬凸起線的納米腔橫截面大小為15nmX 15nm。 納米腔中的熱敏介質為汞金屬，汞金屬的體積隨溫度有靈敏的變化特性，且熱容較低，能實 現狀態的快速切換。電加熱裝置的工作功率為lyw。電調裝置7以電加熱的方式控制納米熱 敏介質腔6中汞金屬的溫度進行控制金屬凸起線3上下移動調整。
[0054] 本實例中金屬基板和頂板的距離為20nm，這個距離符合器件足夠的小型化，又使 金屬狹縫中的金屬凸起線有足夠的空間來調整高度。
[0055] 本實施例中信號為"Γ的金屬凸起線的高度為18nm，即納米狹縫低折射率介質層 的寬度為2nm。金屬凸起線的高度越高，納米狹縫寬度越窄，表面等離激元信號的限制效果 越好，單位面積內電磁場能量密度越高。考慮到信號"Γ的能量強度和加工工藝技術，金屬 凸起線的高度選擇為18nm〇
[0056] 類似的，本實施例中信號為"0"的金屬凸起線的高度為lnm，即納米狹縫低折射率 介質層的寬度為19nm。狹縫內電磁場的能量密度小，表示信號"0"。
[0057]圖5為該相鄰傳輸線的信號消光比和"0"狀態的金屬凸起線高度^關系的仿真圖。 其中"Γ狀態金屬凸起線高度hi-定，和實施例一致為18nm，其他結構參數也和實施例相 符。信號消光比R公式為，
[0058]
[0059] 其中，DjPD2分別代表相鄰傳輸線信號"Γ狀態和信號"0"狀態的狹縫波導中的電 磁場能量密度。
[0060] 信號消光比大小可以衡量相鄰傳輸線之間的串擾和器件性能，信號消光比越大， 相鄰傳輸線串擾越小，器件的開關性能也越優異。
[0061] 如上所述，本實施例信號"Γ的金屬凸起線高度為18nm，信號"0"的金屬凸起線高 度為1腦，所以如圖5所示，本實施例中相鄰傳輸線信號"Γ和信號"0"的消光比R約為20dB， 相鄰傳輸線之間串擾小，具有優良"開關"性能。
[0062] 本實施例中矩形金屬線的寬度為10nm，因為這是現有的工藝能夠加工的最小精 度，十字交叉折射率的結構的限制能力對矩形金屬線的寬度并不敏感，如圖6所示，原本傳 播長度約為74μπι的傳輸線，在其他條件相同的情況下，將矩形金屬線的寬度從10nm改編為 lOOnm，則有效的傳播長度仍有60nm以上。這意味著即便無法接近工藝極限，本發明依然有 較長的傳播距離。
[0063]本實施例中相鄰金屬凸起線的中心間距為20nm，即相鄰傳輸線的中心間距為 20nm，在此間距情況下采用本發明的十字交叉折射率結構和選擇對稱混合模式能實現相鄰 傳輸線無串擾信號。20nm的間距遠遠小于光信號的波長1550nm，意味著Ιμπι寬的金屬基板上 就可以同時并行工作50個平行傳輸線，由此可見本發明的兩個基本單元的傳輸串擾小，實 現了相同體積內大大提高了信息傳輸率。
[0064] 由實施例可見，本發明一方面實現了表面等離激元信號納米級的約束，減小了傳 輸線器件的大小，另一方面，減小了并行傳輸線耦合串擾，實現了納米間距的并行傳輸線， 大大提高了單位空間的信號傳輸率，金屬凸起線可調單元實現了傳輸線的信號的動 態可調，具有結構簡單、消光比高等優點。
[0065] 以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精 神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的范圍之內。
【主權項】
1. 一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸線，其特征在于:所述 傳輸線是以支持表面等離激元信號的狹縫波導和電調單元為基本單元，在同一基板中以納 米級間距平行分布組成，狹縫波導具有十字交叉的波導結構。2. 如權利要求1所述的一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸 線，其特征在于:所述納米狹縫波導包括高折射率頂板（1)、低折射率介質（2)、金屬凸起線 (3)和金屬基板(4)，高折射率頂板(1)和金屬基板(4)之間為低折射率介質，金屬基板(4)上 開有條形槽，金屬凸起線（3)置于條形槽中形成凸起結構，金屬凸起線（3)下端連接電調單 J L 〇3. 如權利要求2所述的一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸 線，其特征在于:所述金屬凸起線(3)頂面位于金屬基板(4)的頂面和高折射率頂板（1)底面 之間，使得狹縫波導為十字交叉折射率的波導結構，頂部的頂板（1)是高折射率介質，兩側 是低折射率介質（2)，底部的金屬基板(4)是負折射率介質，中心區域由上方的低折射率介 質(2)和下方的負折射率的金屬凸起線(3)組成。4. 如權利要求2所述的一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸 線，其特征在于:所述金屬凸起線(3)凸出于金屬基板(4)的高度通過電調單元電控調整，電 調單元控制和切換金屬凸起線（3)的兩個不同凸出高度的狀態，兩個凸出高度之差小于高 折射率頂板底面和金屬基板頂面之間的距離。5. 如權利要求1所述的一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸 線，其特征在于:所述電調單元包括形成于襯底(5)內部的條形的納米熱敏介質腔(6)和電 調裝置(7)，襯底(5)位于金屬基板(4)底面，金屬基板(4)條形槽下部與納米熱敏介質腔(6) 連接相通，金屬凸起線(3)上端伸出金屬基板(4)條形槽外置于低折射率介質(2)中，金屬凸 起線(3)下端嵌入所述納米熱敏介質腔(6)中。6. 如權利要求5所述的一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸 線，其特征在于:所述納米熱敏介質腔(6)中充滿熱敏介質，熱敏介質的體積隨溫度的變化 而變化，所述電調裝置(7)以電加熱的方式控制納米熱敏介質腔(6)中熱敏介質的溫度進行 控制金屬凸起線(3)上下移動調整。7. 如權利要求2所述的一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸 線，其特征在于:所述金屬凸起線(3)凸出于金屬基板(4)的高度小于金屬基板(4)頂面和高 折射率頂板（1)底面之間的距離，金屬基板(4)頂面和高折射率頂板（1)底面之間的距離為 IOnm~50nm，金屬凸起線（3)的寬度為5~20nm。8. 如權利要求2所述的一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸 線，其特征在于:并行工作的相鄰兩個所述基本單元之間的周期間距大于金屬凸起線(3)的 寬度，周期間距具體為Onm~IOOnm 〇9. 如權利要求5所述的一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸 線，其特征在于:所述的金屬基板(4)的厚度為50nm~200nm，襯底(5)的厚度為50~200nm， 所述高折射率頂板(1)的厚度為50nm~IOOnm 010. 如權利要求6所述的一種動態可調的納米間距并行結構的表面等離激元納米傳輸 線，其特征在于:所述的熱敏介質可采用液體汞金屬、液體汞合金、NaCl離子液體以及其他 具有熱電效應的介質。
【文檔編號】H01P3/16GK105896014SQ201610394647
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】郝然, 葉子威, 王少亮, 彭希亮, 陳紅勝, 李爾平
【申請人】浙江大學