基于亚波长金属/介质的集成光学器件的制作方法

1.本发明涉及集成光学器件技术领域，具体地涉及一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件。


背景技术：

2.集成光学器件伴随着光纤通信的兴起和发展已经走过了几十年。集成光学器件不仅成为光纤网络的重要组成部分，而且也促使光纤通信容量爆炸性增长、光纤通信技术和产业的迅猛发展，加上集成光学器件技术的进一步发展和成熟还将掀起光纤通信技术及其相关产业发展的新高潮。
3.在光学传感领域，布拉格光纤光栅(fiber bragg grating，fbg)已经过大量的研究并被广泛应用。作为传感器，fbg具有质量轻、体积小、便携、抗电磁干扰、精度不受光源强度影响，容易实现复用和分布式传感等优点，它可以应用于折射率、温度、应力、扭曲、压力、化学物质浓度等方面的测量，其由于自身结构的特殊性，可形成折射率的周期性调制，波和反向波形成不同的相位关系，当正向波与反向波满足相消条件时，会形成禁带，继而实现波长选择的功能。fbg型波导因设计结构的灵活性被应用于各种光学器件中，如半导体激光器、光学滤波器和调制器等等。马赫-曾德尔干涉仪(mach-zehnder interferometer，mzi)型光波导由于具有高灵敏度、高选择性、抗干扰能力强、使用范围广、尺寸小而日益受到人们的关注，其多用于实现光纤光栅的波长位移的高精度检测上。
4.表面等离子体激元(surface plasmon，sp)具有近场增强特性和表面传输特性，可以将光局域在亚波长尺度，因此基于表面等离子体的光学器件的研究受到科学家的广泛关注。学者们对表面等离子体的研究最早是在1902年，r.w.wood等科学家在将可见光波照射到金属光栅的实验中，观测到一系列明暗条纹，意识到了表面等离子体激元波的存在，随后u.j.fano等人提出了表面等离子体激元(surface plasmon polaritons，spps)的概念，此后越来越多的科学家们都将视线集中在了基于spps的光学器件的研究上。
5.spps是一种在金属介质交界面上传播的电磁表面波，其场分布在界面两侧呈指数衰减。spps具有可突破传统光学衍射极限及强局域性的特点，因此可以实现光在亚波长级别的引导和操控。基于spps可以作为能源和信息载体在高密度集成光电路中具有重要的潜在应用价值。传统光波导结构中以高折射率材料作为波导芯，以低折射率材料作为被覆层，其光场主要集中在高折射率材料构成的波导芯中。spps波导结构中有两种重要的波导结构类型，即imi(insulator-metal-insulator)和mim(metal
‑‑
insulator-metal)波导。其中imi波导具有较低的损耗，但是限制光在亚波长传播的能力较弱。相对应的，mim波导结构简单，对能量具有较强的束缚性，不仅在较宽的频谱范围内支持亚波长髙群速的模式，而且可实现长程传播并允许其在纳米级别操控和传播光，引入布拉格光栅结构后，可以使表面等离子体的传播特性受到影响，具有光子禁带特性，因此对mim表面等离子激元布拉格波导结构的研究引起了科学家们的广泛关注。
6.目前，基于mim波导的微纳光学功能器件有着重要的研究价值且在实验和理论研
究方面取得了许多突破，如布拉格反射器，传感器等。但是，现有技术中的布拉格光纤光栅传感器以及马赫-曾德尔干涉仪为独立的两个光学器件，在使用时功能单一且尺寸较大。


技术实现要素：

7.本发明实施例的目的是提供一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件，用以解决现有技术中的光学器件功能单一且尺寸较大的问题。
8.为了实现上述目的，本发明实施例提供一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件，该集成光学器件包括：
9.第一金属层；
10.第二金属层，第一金属层与第二金属层之间形成纳米腔；以及
11.金属栅格，金属栅格设置于纳米腔中，金属栅格与第一金属层之间具有第一距离，金属栅格与第二金属层之间具有第二距离；
12.其中，通过设置第一距离和第二距离，能够调控金属栅格与第一金属层之间的第一波导等效折射率以及金属栅格与第二金属层之间的第二波导等效折射率。
13.在本发明的实施例中，第一距离或第二距离越大，第一距离对应的第一波导等效折射率或第二距离对应的第二波导等效折射率越小；第一距离或第二距离越小，第一距离对应的第一波导等效折射率或第二距离对应的第二波导等效折射率越大。
14.在本发明的实施例中，集成光学器件包括多个金属栅格，将多个金属栅格间隔设置，并且将多个金属栅格的第一距离和第二距离设置为相等的距离，以形成布拉格光栅效应反射光谱。
15.在本发明的实施例中，将多个金属栅格之间的间隔距离设置为不同距离，以得到不同周期的布拉格光栅效应反射光谱。
16.在本发明的实施例中，将多个金属栅格设置为不同长度的金属栅格，以得到不同的布拉格光栅效应反射光谱，随着金属栅格的长度增大，布拉格光栅效应反射光谱的特征峰出现红移现象。
17.在本发明的实施例中，将多个金属栅格设置为不同厚度的金属栅格，以得到不同的布拉格光栅效应反射光谱，随着金属栅格的厚度增大，布拉格光栅效应反射光谱的特征峰出现红移现象。
18.在本发明的实施例中，将多个金属栅格的第一距离和第二距离设置为不相等的距离，以形成级联马赫-曾德尔干涉光谱和布拉格光栅效应反射光谱。
19.在本发明的实施例中，将多个金属栅格设置为不同长度的金属栅格，以形成不同的马赫-曾德尔干涉光谱。
20.在本发明的实施例中，将多个金属栅格设置为不同厚度的金属栅格，以形成不同的马赫-曾德尔干涉光谱。
21.在本发明的实施例中，将多个相同或不同的金属栅格作为一个周期，通过级联组合产生不同的布拉格光栅效应反射光谱和/或马赫-曾德尔干涉光谱。
22.上述集成光学器件包括第一金属层、第二金属层以及金属栅格，第一金属层与第二金属层之间形成纳米腔，金属栅格设置于纳米腔中，金属栅格与第一金属层之间具有第一距离，金属栅格与第二金属层之间具有第二距离；通过设置第一距离和第二距离，能够调
控金属栅格与第一金属层之间的第一波导等效折射率以及金属栅格与第二金属层之间的第二波导等效折射率。这样，可以实现亚波长集成光回路，可以实现如布拉格光栅反射效应和马赫-曾德尔干涉效应的多功能光学效应，集成两种光学器件的优点且互不干扰，性能优越，尺寸较小，为全光集成回路提供了重要支撑。
23.本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
24.附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
25.图1是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的三维结构示意图；
26.图2是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的二维结构示意图；
27.图3是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的布拉格光栅效应反射谱和透射谱示意图；
28.图4是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的不同周期的干涉谱示意图；
29.图5是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的不同长度的金属栅格的光谱示意图；
30.图6是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的不同厚度的技术栅格的光谱示意图；
31.图7是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的偏离中轴的金属栅格的透射光谱示意图；
32.图8是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的三个不同长度的金属栅格的作为一个周期级联产生的光谱示意图。
33.附图标记说明
[0034]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一金属层
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二金属层
[0035]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
金属栅格
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
纳米腔
具体实施方式
[0036]
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
[0037]
需要说明，若本技术实施方式中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、构造情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
[0038]
另外，若本技术实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该
特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
[0039]
图1是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的三维结构示意图，图2是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的二维结构示意图。参见图1和图2，该集成光学器件可以包括：
[0040]
第一金属层1；
[0041]
第二金属层2，第一金属层1与第二金属层2之间形成纳米腔4；以及
[0042]
金属栅格3，金属栅格3设置于纳米腔4中，金属栅格3与第一金属层1之间具有第一距离，金属栅格3与第二金属层2之间具有第二距离；
[0043]
其中，通过设置第一距离和第二距离，能够调控金属栅格3与第一金属层1之间的第一波导等效折射率以及金属栅格3与第二金属层2之间的第二波导等效折射率。
[0044]
在本发明的实施例中，第一金属层1与第二金属层2之间存在金属栅格3，金属栅格3与第一金属层1的第一距离w1以及金属栅格3与第二金属层2的第二距离w2可根据需求专门设计，从而调控金属栅格3与第一金属层1之间的介质的第一波导等效折射率以及金属栅格3与第二金属层2之间的介质的第二波导等效折射率。在一个示例中，可以通过增大或减小第一距离w1和第二距离w2，对第一波导等效折射率以及第二波导等效折射率进行调控。在另一个示例中，可以通过增加金属栅格3的厚度d，从而减小第一距离w1和第二距离w2，从而对第一波导等效折射率以及第二波导等效折射率进行调控。在再一示例中，可以通过减小w的距离，以减小第一距离w1和第二距离w2，从而对第一波导等效折射率以及第二波导等效折射率进行调控。需要说明的是，本发明对于第一距离w1和第二距离w2的距离的设置不限于上述的示例，还可以是其他可以实现集成光学器件功能的设置方式。
[0045]
在本发明的实施例中，可以在纳米腔4中刻蚀金属栅格3的数量。金属栅格3的数量可以根据实际情况调整。通过多个金属栅格3的组合，可以实现对金属栅格3与两个金属层之间的介质的波导等效折射率进行调控，增强效果，使得最终在光谱仪上可观察到的效果更明显。
[0046]
在本发明的实施例中，第一距离或第二距离越大，第一距离对应的第一波导等效折射率或第二距离对应的第二波导等效折射率越小；第一距离或第二距离越小，第一距离对应的第一波导等效折射率或第二距离对应的第二波导等效折射率越大。因此，可以通过增大或减小第一距离和第二距离，从而对金属栅格与金属层之间介质的波导折射率进行调控，以实现需要的光学效应。
[0047]
图3是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的布拉格光栅效应反射谱和透射谱示意图。参见图2和图3，在本发明的实施例中，集成光学器件可以包括多个金属栅格3，可以将多个金属栅格3间隔设置，并且将多个金属栅格3的第一距离w1和第二距离w2设置为相等的距离，以形成布拉格光栅效应反射光谱。
[0048]
在本发明的实施例中，第一金属层1和第二金属层2之间的纳米腔4可刻蚀多个长度la为200nm的金属栅格3，金属栅格3的中心点与其相邻的金属栅格3的中心点的距离p为500nm，金属栅格3的厚度d为30nm，纳米腔4的宽度w为150nm，通过级联产生布拉格光栅效应，并且在光谱仪上能够观测得到的效果如图3所示。
[0049]
在本发明的实施例中，多个金属栅格可以级联组合，对每个金属栅格和金属层之间的介质的折射率进行调控，可以实现类似于上述布拉格光栅效应。
[0050]
图4是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的不同周期的干涉谱示意图。参见图2和图4，在本发明的实施例中，可以将多个金属栅格3之间的间隔距离p设置为不同距离，以得到不同周期的布拉格光栅效应反射光谱。
[0051]
在本发明的实施例中，当控制集成光学器件的其他参数不变，改变金属栅格3的中心点与其相邻的金属栅格3的中心点距离p，例如，分别设置为400nm、500nm和600nm，通过级联组合产生布拉格光栅效应。此时，集成光学器件的透射谱会发生漂移，得到不同周期的干涉谱示意图，如图4所示。需要说明的是，金属栅格3之间的距离可以根据实际情况专门设计，通过改变金属栅格3之间的距离，实现不同的光学效应。
[0052]
图5是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的不同长度的金属栅格的光谱示意图。参见图2和图5，在本发明的实施例中，可以将多个金属栅格3设置为不同长度的金属栅格3，以得到不同的布拉格光栅效应反射光谱，随着金属栅格3的长度增大，布拉格光栅效应反射光谱的特征峰出现红移现象。
[0053]
在本发明的实施例中，第一金属层1与第二金属层2之间的纳米腔4可刻蚀不同长度的金属栅格，以形成不同的布拉格光栅效应反射光谱。当控制集成光学器件的其他参数不变，改变金属栅格3的长度la，例如，分别设置为200nm、240nm、280nm，以形成不同的布拉格光栅效应反射光谱，随着金属栅格3的长度增大，布拉格光栅效应反射光谱的特征峰出现红移现象。需要说明的是，不同的使用需求可以专门设计不同长度的金属栅格3，以实现不同的光学效应。
[0054]
图6是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的不同厚度的技术栅格的光谱示意图。参见图2和图6，在本发明的实施例中，可以将多个金属栅格3设置为不同厚度的金属栅格3，以得到不同的布拉格光栅效应反射光谱，随着金属栅格3的厚度增大，布拉格光栅效应反射光谱的特征峰出现红移现象。
[0055]
在本发明的实施例中，第一金属层1和第二金属层2之间的纳米腔可刻蚀不同厚度的金属栅格3，调控第一波导等效折射率和第二波导等效折射率。当控制集成光学器件的其他参数不变时，改变金属栅格3的厚度d，例如，厚度d分别设置为30nm、40nm和50nm，以调控第一波导等效折射率和第二波导等效折射率。随着金属栅格3的厚度增大，布拉格光栅效应反射光谱的特征峰出现相应的红移现象。需要说明的是，不同的使用需求可以专门设计不同厚度的金属栅格，以实现不同的光学效应。
[0056]
在本发明的实施例中，基于亚波长金属/介质的集成光学器件还可以刻蚀不同宽度的纳米腔4，从而改变第一距离w1和第二距离w2，调控第一波导等效折射率和第二波导等效折射率。需要说明的是，不同的波导宽度w可以满足不同的实际需要，可以根据具体需求来设计波导宽度。
[0057]
在本发明的实施例中，基于亚波长金属/介质的集成光学器件，多个相同或不同的金属栅格3可以作为一个周期，通过级联组合产生不同的光谱。当多个相同或不同的金属栅格作为一个周期级联组合，可以灵活调整金属栅格来达到实际的需要，周期性级联可以增强效应，实现具体要求。
[0058]
图7是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的偏离中
轴的金属栅格的透射光谱示意图。参见图2和图7，在本发明的实施例中，可以将多个金属栅格3的第一距离w1和第二距离w2设置为不相等的距离，以形成级联马赫-曾德尔干涉光谱和布拉格光栅效应反射光谱。
[0059]
在本发明的实施例中，金属栅格3与第一金属层1的第一距离w1不等于金属栅格3与第二金属层2的第二距离w2，产生马赫-曾德尔干涉效应，形成干涉峰。当金属栅格3的长度la为240nm，金属栅格3的中心点与其相邻的中心点的距离p为500nm，金属栅格3的厚度为30nm，纳米腔4的宽度w为150nm。当金属栅格3与第一金属层1的第一距离w1为50nm时，金属栅格3与第二金属层2的第二距离w2为70nm，金属栅格3与第一金属层1的第一距离w1不等于金属栅格3与第二金属层2的第二距离w2，于是，在透射光谱可以观察到出现一个干涉峰。当继续减小金属栅格3与第一金属层的第一距离w1时，不对称性加强，第一波导等效折射率将进一步增大，第二波导等效折射率将进一步减小，从而增强光谱仪上透射光谱的干涉峰，进一步发生偏移。金属栅格3偏离中轴，使得集成光学器件不再具有对称性，从而改变第一波导等效折射率和第二波导等效折射率，实现干涉效果。金属栅格3的偏离程度可以根据实际使用需求来设计，不同的使用需求可以设计不同的偏离程度，以实现不同的光学效应。
[0060]
在本发明的实施例中，将多个金属栅格设置为不同长度的金属栅格，以形成不同的马赫-曾德尔干涉光谱。
[0061]
具体地，第一金属层1与第二金属层2之间的纳米腔4可刻蚀不同长度的金属栅格3，产生不同长度的干涉臂，形成不同的干涉光谱。在金属栅格3偏离中轴时，减小金属栅格的长度la为200nm，或者增大金属栅格3的长度la为280nm，使干涉臂的长度发生了变化，从而使光谱仪上的透射光谱的干涉峰发生变化。在实际中，可以根据实际情况调整金属栅格3的长度la，设计为更适合于实际需求的金属栅格。
[0062]
在本发明的实施例中，将多个金属栅格设置为不同厚度的金属栅格，以形成不同的马赫-曾德尔干涉光谱。
[0063]
具体地，第一金属层1与第二金属层2之间可刻蚀不同厚度的金属栅格3，以调控第一波导等效折射率和第二波导等效折射率。在金属栅格3偏离中轴的时候，增大金属栅格的厚度d为40nm，使得第一距离w1和第二距离w2均减小，增大第一波导等效折射率和第二波导等效折射率，实现对干涉臂的调制，可以根据需求具体设计金属栅格3的厚度d，满足实际需求。
[0064]
在本发明的实施例中，基于亚波长金属/介质的集成光学器件可刻蚀不同宽度的纳米腔4，改变金属栅格3与第一金属层1的第一距离w1以及金属栅格3与第二金属层2的距离，调控第一波导等效折射率和第二波导等效折射率。当金属栅格3偏离中轴时，减小波导宽度w，使金属栅格3与第一金属层1的第一距离w1和与第二金属层的第二距离w2均减小，增大第一波导等效折射率和第二波导等效折射率，实现对干涉臂的调制，可以根据需求具体设计波导宽度w，满足实际需要。
[0065]
图8是本发明实施例提供的一种基于亚波长金属/介质的集成光学器件的三个不同长度的金属栅格的作为一个周期级联产生的光谱示意图。参见图2和图8，在本发明的实施例中，可以将多个相同或不同的金属栅格3作为一个周期，通过级联组合产生不同的布拉格光栅效应反射光谱和/或马赫-曾德尔干涉光谱。
[0066]
在本发明的实施例中，当金属栅格偏离中轴时，将金属栅格3的长度la分别设置成
200nm、240nm和280nm，将这三种长度的金属栅格3作为一个周期，通过级联组合，可以在光谱仪上观察到不同的透射光谱。在实际应用中，可以根据需求，通过级联多种金属栅格3作为一个周期，实现不同的投射光谱，已实现不同的光学效应。
[0067]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0068]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。