一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构

1.本实用新型属于纳米加工技术领域，具体涉及一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构。


背景技术：

2.光子取代电子作为信息的载体一直被认为是下一代信息传输的关键所在，光学器件的实现通常是利用材料的非线性光学效应来实现的。然而，对于大多数材料而言，其本身的非线性响应较为微弱，激发响应所需要的能量也通常较高，这就导致光学器件有着较大的功耗和尺寸，严重限制了高密度集成光学器件的应用。因此，我们需要更强的非线性响应的材料来克服这一限制。
3.人们用来增强非线性光学效应的常用方法有选用非线性响应较强的材料，如半导体、二维材料、钙钛矿和enz材料等；或者使用复合结构、等离子体共振和超材料等方法来增强材料的固有非线性光学响应。然而，上述方法通常存在增强幅度较小、窄带、偏振依赖等缺点，在实际应用中通常需要权衡非线性响应增强强度和非线性响应增强的光谱位置，这限制了其作为光学器件的应用。
4.单一的材料或者结构存在增强幅度较小、窄带、偏振依赖等缺点，这些缺点是受制于其材料性质或者结构本身，很难通过寻求一种新的材料或改进结构来克服这些缺点。
5.2018年，boydrw课题组通过在ito薄膜上覆盖一层金纳米阵列天线，使ito薄膜的enz效应与纳米阵列天线等离子体共振产生强耦合，实现了在宽波段上较大的非线性相应增强，但是，该结构存在偏振敏感、环境适应性差、制作成本高昂的缺点。


技术实现要素：

6.为了解决上述现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构，以解决背景技术中提到的问题。
7.本一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构解决其技术问题所采用的技术方案为：
8.提供了一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构，包括从上至下依次排布的纳米天线层、enz薄膜层、以及二氧化硅玻璃衬底。
9.进一步的，所述的纳米天线层的材料为金或银中的任意一种，优选金，enz薄膜层的材料为氟掺杂氧化锡材料。
10.进一步的，所述的纳米天线层的厚度为30nm。
11.进一步的，所述的纳米天线层包括数个均匀分布在enz薄膜层表面的十字形纳米天线。
12.进一步的，所述的十字形纳米天线之间的距离为800nm。
13.进一步的，所述的十字形纳米天线的尺寸为长550nm，宽130nm。
14.进一步的，所述的enz薄膜层的厚度为20nm。
15.与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
16.1、本实用新型示例的一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构，enz材料在厚度接近趋肤深度时，其等离子体极化共振会分裂成近程等离子极化和长程等离子体极化，当厚度进一步减小时，长程等离子体极化模式会恒定存在于enz波长附近，在薄膜内部会产生场增强，从而增强材料的非线性响应，这种现象被称为enz模式；
17.金属纳米天线表面发生全反射时,会形成消逝波进入到光疏介质中，而在金属介质中又存在一定的等离子波，当两波相遇时可能会发生共振，即等离子体共振(spr)，当消逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱，能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少，由于入射光与金属表面自由电子耦合，从而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，这种现象被称为表面等离激元现象(spp)；
18.本技术结合上述两种方法，并使这两种方法产生强耦合，在近红外区域(1200nm-2100nm)范围内产生了宽波段的非线性光学响应增强，对比单层fto薄膜，增强了约400倍。
19.2、本实用新型示例的一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构，选择金的纳米天线层和fto材料的enz薄膜层相结合，在确保实现强非线性响应增强的基础上，最大程度的提高了整体结构的环境适应性。
20.3、本实用新型示例的一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构，30nm厚度的纳米天线层与enz薄膜层有较好的匹配性。
21.4、本实用新型示例的一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构，十字形纳米天线由于其对称性，与入射光的偏振方向要求更低。
22.5、本实用新型示例的一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构，十字形纳米天线之间的距离设置为为800nm，该间距既保证了各纳米阵列间的相互作用，进一步又提高了结构整体的透过率。
23.6、本实用新型示例的一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构，选择天线尺寸为550 nm
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130 nm，获得了强非线性响应的同时，保证了结构的透光性。
24.7、本实用新型示例的一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构，fto薄膜厚度选择20nm，使结构获得了强非线性响应的同时，又保证了制备的简易。
附图说明
25.通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
26.图1是本实用新型的结构示意图；
27.图2是本实用新型的俯视图；
28.图3是本实用新型的fto材料的介电常数曲线；
29.图4是本实用新型的fto薄膜、纳米天线以及fto-纳米天线耦合结构的透射率曲线；
30.图5是本实用新型的不同尺寸的纳米天线透射谱；
31.图6是本实用新型的不同尺寸纳米天线的耦合结构非线性折射系数n2随波长的变化；
32.图7是本实用新型的不同厚度fto薄膜的耦合结构非线性折射系数n2随波长的变化；
33.图8是本实用新型的所展示的结构与单层fto薄膜非线性折射系数n2的对比。
34.图中：1、纳米天线层；2、enz薄膜层；3、二氧化硅玻璃衬底。
具体实施方式
35.下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
36.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
37.实施例一：
38.本实施例提供了一种能在宽波段上实现较强非线性光学响应的结构，如图1、图2所示，包括从上至下依次排布的纳米天线层1、enz薄膜层2、以及二氧化硅玻璃衬底3，enz薄膜层2为介电常数近零（epsilon-near-zero）薄膜层。
39.本实施例中，所述的纳米天线层1的材料为金（au）或银（ag）中的任意一种，优选金（au），enz薄膜层2的材料为氟掺杂氧化锡(fluorine-doped tin oxide)材料，简称为fto材料。
40.本实施例中，所述的纳米天线层1的厚度为30nm。
41.本实施例中，所述的纳米天线层1包括数个均匀分布在enz薄膜层2表面的十字形纳米天线。
42.本实施例中，所述的十字形纳米天线之间的距离为800nm。
43.本实施例中，所述的十字形纳米天线的尺寸为长（length）550nm，宽（width）130nm。
44.本实施例中，所述的enz薄膜层2的厚度为20nm。
45.具体方法：enz材料在厚度接近趋肤深度时，其等离子体极化共振会分裂成近程等离子极化和长程等离子体极化，当厚度进一步减小时，长程等离子体极化模式会恒定存在于enz波长附近，在薄膜内部会产生场增强，从而增强材料的非线性响应，这种现象被称为enz模式；fto材料的介电常数随波长的变化如图3；可以看出，在波长为1630nm附近时，fto材料的介电常数接近零，此范围即是enz效应区域；
46.金属纳米天线表面发生全反射时,会形成消逝波进入到光疏介质中，而在金属介质中又存在一定的等离子波，当两波相遇时可能会发生共振，即等离子体共振(spr)；当消逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱；能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使反射光的能量急剧减少；由于入射光与金属表面自由电子耦合，从而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，这种现象被称为表面等离激元现象(spp)；enz模式产生的场增强透露出明显的强局域、窄带的特性，而等离子激元模式则有着传播范围远、电场束缚能力差的特性；
47.该结构结合上述两种方法，并使这两种方法产生强耦合，从而实现了宽波段的强非线性响应；强耦合产生的原理为两个光谐振系统具有相同的谐振频率且之间的距离很小
时，耦合机制产生的影响会大于两个系统之间的竞争损失，此时两个系统会以拉比频率周期性的交换能量，从而使耦合系统同时获得宽波段、强增益的非线性光学响应；由于两个系统的强耦合，原本金属纳米天线的单腔共振会分裂为两个极化子分支，在透射光谱中表现为由一个透射谷分裂称为两个透射谷，两个透射谷谷底位置之间的光谱频率差可以定义为耦合强度g；通常情况下，当g》0.1时，就可以认为进入了强耦合状态；分裂现象如图4；
48.由上述内容可知，强耦合产生的关键为两个光谐振系统需要具有相同的谐振频率，enz材料的enz波长由材料本身决定，金属纳米天线的等离子体共振频率可以通过调节天线尺寸来改变，所以在已知enz波长的情况下，通过调整金属纳米天线的尺寸，可以使等离子体共振波长与enz波长一致，从而实现两个系统的强耦合；
49.有必要说明的是，纳米天线的共振波长虽然跟尺寸有关，但并不是一一对应关系，对于十字形金纳米天线来说，纳米天线的共振波长除了与臂长length和臂宽width绝对长度有关，还与其比例有关，因此为了得到共振波长在1630 nm(enz波长)的纳米天线尺寸，需要对不同臂长和臂宽的纳米天线所对应的共振波长进行遍历；如果手动改变臂长和臂宽的尺寸去仿真的到透射谱是耗时耗力的，可以通过以下方法进行简化；
50.通过观察图4中纳米天线的透射谱，纳米天线在产生等离子体共振时，透射率会显著降低，故而可以通过观察纳米天线在1630 nm处透射率的值来判定共振波长是否在1630 nm；lumerical fdtd软件中的sweep模块，可以将不同尺寸的纳米天线同时仿真，将臂长变化范围设置在350 nm-650 nm，臂宽变化范围设置为50nm-200nm，网格精度设置为auto mesh：8，光源波长固定为1630 nm，仿真得到的结果图5，纵坐标为臂长，横坐标为臂宽，横纵坐标对应点的颜色即为在该尺寸下纳米天线在1630 nm处的透射率，红色曲线为透射率小于0.01的天线尺寸拟合曲线，上面的点所对应的尺寸即为共振波长在1630 nm的纳米天线的尺寸；
51.为选取合适的参数尺寸，本技术对不同纳米天线尺寸以及不同fto厚度对非线性光学响应的影响进行了仿真，如图6、图7；较大的天线尺寸非线性响应更强但影响结构的透光性，fto薄膜的厚度越薄非线性响应更强但制备较难；故本技术选择天线尺寸为550 nm
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130 nm，fto薄膜厚度选择20nm，在这种尺寸配置下，结构获得了强非线性响应的同时，又保证了制备的简易；
52.本技术通过纳米天线阵列层的等离子体共振与enz薄膜的enz模式产生强耦合，产生宽带的非线性光学响应的增强；
53.在材料的选取上，enz薄膜选择fto材料，纳米天线层选取金十字，这种组合在确保实现强非线性响应增强的基础上，最大程度的提高了整体结构的环境适应性；
54.该结构由于enz模式与等离子体激元模式的强耦合，在近红外区域(1200nm-2100nm)范围内产生了宽波段的非线性光学响应增强，对比单层fto薄膜，增强了约400倍，如图8所示；同时，该结构选取fto材料作为enz薄膜，对比传统ito、azo等enz材料，节约了成本，环境适应性更强；十字形的金纳米天线由于其对称性，与入射光的偏振方向要求更低。
55.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功
能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
56.除说明书所述的技术特征外，其余技术特征为本领域技术人员的已知技术，为突出本实用新型的创新特点，其余技术特征在此不再赘述。