一种全光二极管超透射器件及其制作方法

摘要

本发明公开了一种全光二极管超透射器件及其制作方法，属于通信技术领域。本发明的超透射器件包括介质层I、介质层II和位于所述介质层I与所述介质层II之间的金属层；所述金属层中刻有周期性狭缝，所述介质层I、介质层II为非线性光学材料；本发明超透射器件的制作方法为：首先根据全光二极管的工作波长确定金属层狭缝周期，以及介质层I和介质层II的厚度；然后利用数值计算方法计算来获得所有参数的准确结果；最后依次在基底材料上制备介质层II、金属层、介质层I，其中金属层中刻有周期性狭缝，介质层I、介质层II为非线性光学材料。本发明可以实现从可见光到光通讯波段的全光二极管，具有响应速度快、结构简单、易于制作、使用方便的特点。

权利要求

1.一种全光二极管超透射器件，包括介质层I、介质层II和位于所述介质层I与所述介质层II之间的金属层；所述金属层中刻有周期性狭缝，所述介质层I、介质层II为非线性光学材料；所述介质层I共振模式λ1的中心波长与所述介质层II共振模式λ2的中心波长不相等。

2.如权利要求1所述的器件，其特征在于所述介质层I与所述介质层II为同一种非线性光学材料；所述非线性光学材料为有机非线性光学材料或无机非线性光学材料。

3.如权利要求1所述的器件，其特征在于根据全光二极管的工作波长确定所述金属层的厚度、金属层狭缝周期，以及所述介质层I的厚度、介质层II的厚度；所述介质层I的厚度与所述介质层II的厚度相等。

4.如权利要求3所述的器件，其特征在于所述介质层I的厚度为5nm～10μm；所述介质层II的厚度为5nm～10μm；所述金属层的厚度为20nm～1μm；所述狭缝的周期为

5nm～10μm；狭缝的宽度为1nm～1μm。

5.如权利要求1或4所述的器件，其特征在于所述狭缝为一维周期性狭缝，所述狭缝中-16 2填充物为空气或三阶非线性极化率的实部小于1×10 m/W的介质。

6.一种全光二极管超透射器件制作方法，其步骤为：

1)根据全光二极管的工作波长确定金属层狭缝周期，以及介质层I和介质层II的厚度，其中所述介质层I共振模式λ1的中心波长与所述介质层II共振模式λ2的中心波长不相等；

2)根据金属层狭缝周期以及介质层I的厚度、介质层II的厚度，计算狭缝的宽度以及金属层的厚度；

3)在基底材料上制备指定厚度的介质层II，所述介质层II为非线性光学材料；

4)在介质层II上制备指定厚度的金属层，并且在该金属层上制备周期性狭缝；

5)在金属层上制备指定厚度的介质层I，所述介质层I为非线性光学材料。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述介质层I的厚度与所述介质层II的厚度相等；所述狭缝为一维周期性狭缝。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述介质层I与所述介质层II为同一种非线性光学材料；所述非线性光学材料为有机非线性光学材料或无机非线性光学材料。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤2)中，根据金属层狭缝周期以及介质层I的厚度、介质层II的厚度，利用数值计算方法计算狭缝的宽度、金属层的厚度并修正金属层狭缝周期、介质层I的厚度、介质层II的厚度；所述数值计算方法包括时域有限差分方法、传输矩阵方法。

10.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述基底材料为石英基片；采用旋涂方法制备所述介质层II和所述介质层I；采用磁控溅射镀膜方法制备所述金属层；采用聚焦离子束刻蚀方法制备所述周期性狭缝。

说明书

一种全光二极管超透射器件及其制作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种表面等离激元共振超透射器件，尤其涉及一种全光二极管超透射器件及其制作方法，属于通信技术领域。

背景技术

[0002] 全光二极管是一种能够实现光子单向导通的集成光子器件，完全利用光子与物质的相互作用来实现信号光束的单向导通功能，是构造集成光子回路和实现光计算的核心部件之一，在光通讯、光互联网络以及超快速信息处理等领域都具有非常重要的应用背景。目前，国内外对于全光二极管的研究仍主要集中在理论研究方面，利用非线性光学材料的饱和吸收和反饱和吸收效应[文献1，R.Philip，M.Anija，C.S.Yelleswarapu，and D.V.G.L.N.Rao，“Passive All-Optical Diode Using Asymmetric Nonlinear Absorption”，Appl.Phys.Lett.2007，91(14)：141118]、光子晶体的光子能隙效应[文献2，X.S.Lin，J.H.Wu，and S.Lan，“HighTransmission Contrast For Single Resonator Based All-Optical Diode With Pump-Assisting”，Opt.Express 2008，16(25)：20949-20954；文献3，H.Zhou，K.F.Zhou，W.Hu，Q.Guo，S.Lan，X.S.Lin，A.V.Gopal，“All-Optical Diodes Based On Photonic Crystal Molecules Consisting OfNonlinear Defect Pairs”，J.Appl.Phys.2006，99(12)：123111]半导体微腔[文献4，S.Pereira，P.Chak，J.E.Sipe，L.Tkeshelashvili，and K.Busch，“All-Optical Diode In An AsymmetricallyApodized Kerr Nonlinear Microresonator System”，Photon.Nanostruct.-Fundamentals and Appl.2004，2：181-190]、负 折射材 料[文献5，M.W.Feise，I.V.Shadrivov，and Y.S.Kivshar，“Bistable Diode Action In Left-Handed Periodic Structures”，Phy.Rev.B 2005，71(3)：037602]和手性材料[文献6，A.H.Gevorgyan and M.Z.Harutyunyan，“Chiral Photonic Crystal WithAn Anisotropic Defect Layer”，2007，76(3)：031701]来实现全光二极管的功能。在全光二极管的实验研究方面，在2001年，K.Gallo等人利用周期性极化的铌酸锂晶体的准相位匹配效应实现了全光二极管的功能[文献7，K.Gallo，G.Assanto，K.R.Parameswaran，and M.M.Fejer，“All-Optical Diode In A Periodically Poled Lithium Niobate Waveguide”，Appl.Phys.Lett.2001，79(3)：314-316]，铌酸锂晶体周期性极化需要使用昂贵的模板刻蚀和复杂的极化工艺。在2004年，S.O.Konorov等人利用光子晶体光纤的自相位调制光谱展宽效应实现了全光二极管的功能[文献8，S.O.Konorov，D.A.S.Biryukov，I.Bugar，M.J.Bloemer，V.I.Beloglazov，N.B.Skibina，D.Chorvatjr.D.Chorvat，M.Scalora，and A.M.Zheltikov，“Experimental Demonstration of a Photonic-Crystal-Fiber Optical Diode”，Appl.Phys.B，2004，34(4)：1417-1420；文 献 9，D.A.S.Biryukov，A.B.Fedotov，S.O.Konorov，V.P.Mitrokhin，M.Scalora，and A.M.Zheltikov，“Photonic Crystal Fiber Optical Diode”，Laser Phys.2004，14(5)：
764-766]，但是，这种方法存在很大的缺陷：一是对光子晶体光纤参数的精度要求非常严格；二是光子晶体光纤的拉制过程不易调控，很难制备出符合设计参数要求的样品；三是需要较长尺寸的光子晶体光纤，其长度通常在几十厘米、甚至米的量级，难以集成化。在
2005年，J.Hwang等人利用液晶异质结实现了全光二极管的功能[文献10，J.Hwang，M.H.Song，B.Park，S.Nishimura，T.Toyooka，J.W.Wu，Y.Takanishi，K.Ishikawa，and H.Takezoe，“Electro-tunable”，Nature Mater.2005，4(5)：383-387]，由于存放液晶材料的样品池尺寸较大，难以实现集成，这就极大地限制了全光二极管的实际应用。

[0003] 发明专利“基于二维光子晶体的光二极管及其制备方法”(专利号ZL200510002913.8)利用非线性光子晶体的准相位匹配技术，来实现的光二极管的功能，与本发明的内容完全不同。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服已有技术中光子晶体光纤、周期极化铌酸锂晶体和二维光子晶体的制备过程复杂、难以调控的缺点，提供一种基于表面等离激元共振的超透射器件及其制备方法，该器件的结构由介质层I、金属层、介质层II三部分组成，其中介质层I和介质层II为非线性光学材料，金属层中刻有周期性狭缝。

[0005] 利用该超透射器件实现全光二极管的功能：利用介质层自身的三阶非线性光学Kerr效应，使得正向(从上向下)传输的激光首先作用于介质层I，使介质层I的折射率改变，介质层I支持的共振模式移到入射激光的波长位置，因此，正向传输的激光能够通过该结构；而反向(从下向上)传输的激光不能通过该结构。由此，实现对传输激光的单向导通的控制作用，从而提供一种超透射器件作为全光二极管的应用。

[0006] 本发明的技术方案为：

[0007] 1.超透射器件

[0008] 基于表面等离激元共振的超透射器件的结构由介质层I、金属层、介质层II三部分所组成，如图1所示，其中介质层I和介质层II为同一种非线性光学材料，金属层中刻有一维周期性狭缝。

[0009] 1)对材料的要求：

[0010] 介质层I和介质层II是同一种有机(或者无机)三阶非线性光学材料：

[0011] 有机非 线性光学 材料：如聚苯 乙烯(polystyrene)、聚 对苯撑乙 烯(Poly(p-phenylenevinylene)，简称PPV)及其衍生物、聚二乙炔(Polydiacetylene，简称PDA)、聚乙炔(Polyacetylene，简称PA)、聚噻吩(Polythiophene，简称PT)等；

[0012] 无机非线性光学材料：当入射激光位于可见光波段时，可选用偏硼酸钡晶体(β-BaB2O4，简称BBO)、磷酸钛氧钾晶体(KTiOPO4，简称KTP)、磷酸二氢钾晶体(KH2PO4，简称KDP)、铌酸锂(LiNbO3)等对可见光透明的材料；当入射激光位于红外波段时，可选用砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、铝镓砷(AlGaAs)、硅(Si)等对红外光透明的材料。

[0013] 金属层：可以是金、银、铜等贵重金属材料。

[0014] 这些有机、无机非线性材料和金属都可以从市场上买到。

[0015] 2)对尺寸的要求

[0016] 整个超透射结构在x和y方向的整个尺寸的大小，需要根据入射激光束光斑的大小来确定，要求能够覆盖整个入射激光光斑；

[0017] 介质层I的厚度h1范围为5nm-10μm；

[0018] 金属层的厚度h范围为20nm-1μm；

[0019] 介质层II的厚度h2范围为5nm-10μm；

[0020] 狭缝宽度a范围为1nm-1μm；

[0021] 狭缝周期b范围为5nm-10μm；

[0022] 3)狭缝中的填充物

[0023] 理想情况下，金属狭缝中应该填充空气；

[0024] 如果金属狭缝中填充其它非线性系数很弱的介质(其三阶非线性极化率的实部-16 2小于1×10 m/W)，不影响该结构的超透射功能，以及作为全光二极管的应用；

[0025] 2.全光二极管功能的实现

[0026] 1)实现方法

[0027] 光波在金属薄膜中的穿透深度(又称为趋肤深度)，在可见和近红外波段只有15nm左右，对于厚度超过20nm的金属薄膜，光波的透过率为零。

[0028] 本发明提供的超透射器件，在入射激光的作用下，由于本发明超透射器件结构中的金属层具有周期性狭缝，以及入射光波长与介质层I所支持的共振模式中心波长一致或近似，入射光就能够穿透金属层，从而在金属层上下界面激发金属表面等离激元，以及在狭缝中激发表面等离激元，由于金属层上下两个界面以及狭缝内的表面等离激元的共振耦合，在三个不同的波长位置，有透过率很高的透过峰出现，如图2所示。透过峰所对应的频率，就是该结构所支持的共振模式的共振频率。在长波方向的共振模式λ3是由于狭缝内的表面等离激元局域共振的结果，场分布主要集中在狭缝中，称为波导共振模式。在短波方向的两个共振模式，是在金属膜上下两个表面激发的表面等离激元之间的耦合所形成的，为表面等离激元共振耦合模式。如果一束入射光的波长等于λ1、λ2或者λ3，则该入射光可以从正向或者反向通过该超透射器件，因为这三个波长是整个超透射器件超透射峰所对应的波长。如果入射光的波长不等于λ1、λ2或者λ3，则该入射光无论从正向或者反向传输，均不能通过该超透射器件。共振模式λ1主要由介质层I的参数(如介质层I的厚度、折射率等)所决定，如果改变介质层I的厚度或者折射率，则共振模式λ1的中心波长将发生变化，而改变介质层I的厚度或者折射率对共振模式λ2的中心波长的影响很小，可以忽略。同样地，共振模式λ2主要由介质层II的参数(如介质层II的厚度、折射率等)所决定，如果改变介质层II的厚度或者折射率，则共振模式λ2的中心波长将发生变化，而改变介质层II的厚度或者折射率对共振模式λ1的中心波长的影响很小，可以忽略。入射激光波长λ可选在介质层I支持的共振模式中心波长λ1附近。

[0029] 如果入射激光垂直于金属层表面正向(从上向下)传输，如图3所示，激光束首先进入介质层I，由于三阶非线性光学Kerr效应，引起介质层I的折射率变化，使得共振模式λ1的中心波长发生移动，移动到入射激光波长λ的位置，则入射激光可以通过超透射器件。

[0030] 如果入射激光反向(从下向上)传输，如图4所示，激光束直接进入介质层II，使介质层II的折射率发生变化，共振模式λ2的中心波长发生移动，由于入射激光的波长λ远离共振模式λ2的中心波长，入射激光的波长λ与共振模式λ2的中心波长不相等，入射光不能通过超透射器件；另外，由于介质层II的折射率的变化不影响共振模式λ1的中心波长，共振模式λ1的中心波长不移动，入射激光的波长λ与共振模式λ1的中心波长不相等，入射激光不能通过该超透射器件。

[0031] 这样，利用三阶非线性光学效应来改变介质层I的折射率，从而调制超透射峰的共振频率，能够实现全光二极管的功能。

[0032] 类似的，可以选择入射激光的波长位于介质层II支持的共振模式中心波长λ2附近，也可以实现全光二极管的功能。

[0033] 如果介质层I和II都是线性介质，则无论激光从正向入射或者反向入射，均不能通过该结构。

[0034] 2)各项参数的确定

[0035] 共振模式中心波长的确定：

[0036] 介质层I支持的共振模式λ1＝b+h1，其中b为狭缝周期，h1为介质层I的厚度；

[0037] 介质层II支持的共振模式λ2＝b+h2，其中b为狭缝周期，h2为介质层II的厚度；

[0038] 超透射器件的波导共振模式λ3＝2b；

[0039] 设计中，应首先根据全光二极管的工作波长范围，如可见和近红外波段，先初步确定狭缝周期b、介质层I和II的厚度h1和h2，然后利用数值计算方法，如时域有限差分方法、传输矩阵方法等，通过数值计算来获得所有参数的准确结果。

[0040] 入射光波长λ的确定：

[0041] 入射激光波长λ＝λ1±Δλ，其中Δλ是共振模式λ1的线宽。如果介质层I和II都具有正的三阶非线性极化率，则取“+”号；如果介质层I和II都具有负的三阶非线性极化率，则取“-”号。

[0042] 3.表面等离激元

[0043] 表面等离激元是一种局域在金属表面的一种自由电子和光子相互作用而形成的电磁场模式，在这种相互作用中，自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生纵向集体振荡，其波矢大于同一频率下光子在真空或周边介质的波矢，因此通常情况下激发这种电磁模需要特定的方式和结构，而在激发后也不能从金属表面辐射出去，而是在垂直于表面的两个方向上以指数形式衰减。在金属和介质界面上，表面等离激元沿着表面传播，由于金属的吸收而逐渐衰减。

[0044] 表面等离激元同样是满足Maxwell方程及特定边界条件的一种表面电磁场分布，其电场分布可由下式表达：

[0045]

[0046] 其中，±号分别表示z≥0和z ≤0。kz为虚数，从而保证电场沿垂直界面z方向指数衰减。kx＝2π/λp，为平行x方向的波矢分量，λp为表面等离激元的波长。表面等离激元的场分布如图5所示，表面等离激元的色散关系可以写成：

[0047]

[0048] 其中ε1是金属的介电函数，ε2是介质的介电函数，而按照Maxwell方程，光线方程可以写成：

[0049] ω＝c·kX (3)

[0050] 在给定能量hω的情况下，表面等离激元的波矢hω/c大于空气中光波的波矢，因此，在光滑的金属薄膜表面，表面等离激元是不能直接被光波激发的。但是如果金属表面刻蚀有周期性狭缝或者空气孔的结构，通过衍射效应提供了一个水平方向的波矢分量Δkx，在入射光波的作用下，能够在金属薄膜表面激发表面等离激元。[文献11，H.Raether，Surface Plasmons.Berlin：Springer，1988]

[0051] 4.三阶非线性光学Kerr效应

[0052] 根据三阶非线性光学Kerr效应，非线性光学材料受到泵浦激光的激发作用，其折射率n将发生变化，

[0053]

[0054] 其中，n0为材料的线性折射率，c为真空中的光速，χ(3)为材料的三阶非线性极化率，Reχ(3)代表取三阶非线性极化率χ(3)的实部的值，I为泵浦光强，π为常数3.14。[文献12，钱士雄，王恭明编著，非线性光学——原理与进展，上海：复旦大学出版社，2001年版][0055] 本发明的优点在于：

[0056] 1、通过改变狭缝周期、狭缝宽度、介质层厚度等结构参数，可以实现从可见光到光通讯波段的全光二极管。

[0057] 2、由于三阶非线性光学材料通常都具有亚皮秒量级的超快速非线性时间响应，因此，能够实现超快速响应的全光二极管。

[0058] 3、本发明的全光二极管结构制备简单，无须复杂的刻蚀加工工艺，使用和测量方便。

附图说明

[0059] 图1是本发明的超透射器件的结构示意图；

[0060] 图2是本发明的超透射器件的结构透射原理图；

[0061] 图3是入射激光垂直于金属层表面正向(从上向下)传输示意图；

[0062] 图4是入射激光垂直于金属层表面反向(从下向上)传输示意图；

[0063] 图5是表面等离激元的场分布示意图；

[0064] 图6是利用超透射器件作为全光二极管应用的装置示意图；

[0065] 图7是本发明实施例中的超透射器件的透过谱曲线；

[0066] 图8是本发明实施例中的超透射器件的全光二极管效应曲线；

[0067] 图面说明：

[0068] 1、介质层I 2、金属薄膜 3、介质层II 4、激光器 5、会聚透镜[0069] 6、超透射器件样品 7、会聚透镜 8、会聚透镜 9、单色仪

[0070] 10、光电倍增管 11、锁相放大器 12、斩波器 13、计算机

[0071] h1、介质层I的厚度 h、金属层的厚度 h2、介质层II的厚度

[0072] a、狭缝宽度 b、狭缝周期

具体实施方式

[0073] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述：

[0074] 实施例1超透射器件

[0075] 在厚度17μm，长和宽均为2cm的石英基片上，利用化学上常用的旋涂技术制备200nm厚的MEH-PPV薄膜(作为介质层II)；然后，利用常用的磁控溅射镀膜技术(或者电子束蒸镀技术等)在MEH-PPV薄膜上镀一层厚度为200nm的金膜(作为金属层)；利用微电子工业常用的聚焦离子束刻蚀技术(或者其它光刻技术)在金膜上刻蚀出周期性狭缝，狭缝周期为800nm，狭缝宽度为50nm；最后，利用化学上常用的旋涂技术在金膜上制备300nm厚的MEH-PPV薄膜(作为介质层I)。由于液体表面张力的作用，在旋涂的过程中MEH-PPV不会进入到狭缝中。

[0076] 该超透射结构的透过谱如图7所示。

[0077] 实施例2

[0078] 应用实施例1中的超透射器件作为近红外波段的全光二极管：

[0079] 图6是本发明实施例1中超透射器件作为全光二极管应用的装置示意图。

[0080] 其中激光器4为飞秒OPO激光器(美国相干公司制造，波长400nm-1.8μm可调，重复频率86MHz)，发出的准连续激光被斩波器12斩波，然后由会聚透镜5聚焦后，垂直于介质层表面射入超透射器件样品6，透射光由会聚透镜7进行会聚后，经过收集透镜8射入单色仪9的入射狭缝，单色仪9的输出信号经过光电倍增管10放大后，输入锁相放大器11的信号输入端，斩波器12发出的信号输入锁相放大器11的参考输入端，最后由计算机13进行数据的采集和处理。

[0081] 入射激光的波长为1150nm，位于厚度为300nm的介质层I支持的共振模式附近。

[0082] 激光束正向射入超透射器件时，激光束首先进入介质层I，入射激光强度180KW/2 2
cm 时，从超透射器件透过的激光强度为15.7KW/cm。如图8所示。

[0083] 激光束反向射入超透射器件时，激光束首先进入介质层II，入射激光强度180KW/2 2
cm 时，从超透射器件透过的激光强度小于1kW/cm，比正向入射小2个数量级，实现了对探测光传输过程的单向通过的控制作用。如图8所示。

[0084] 由此，实现了超透射器件作为全光二极管的应用。