光纤上的可调谐纳米电路和波导系统及方法

光纤上的可调谐纳米电路和波导系统及方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年5月29日提交的题为“可调谐纳米光子波导系统和方法”的美国临时申请号63/032050的权益，该申请通过引用结合于此。
技术领域
3.本公开总体涉及光纤。更具体地，本公开涉及光纤和等离子体激元以及相关的器件、电路和方法。


背景技术：

4.光纤是引导和操纵光的方式的众所周知的示例。它已经广泛用于各种应用，包括长距离光通信、使用光纤激光器的光生成、远程和光学感测、内窥镜中的光纤成像和光纤激光手术。越来越多地使用光学技术来改进计算和通信技术正在导致包含不同元素和新颖化合物组合的器件的新的创新制造和集成。一个领域是利用等离子体激元来实现在不牺牲电子小型化的情况下实现光速的双重目标。等离子体激元涉及利用光和电子的不同属性，例如波传播属性来捕捉效应，如果在应用中强调粒子属性，这是不可能的。开发利用光激发电子和产生等离子体激元的能力的部件，比如开关和其他类型的器件，是制造商业上可用的等离子体激元电路的关键一步。
5.对更快的光信号传输和更小的器件的持续需求正在推动片上光子器件和电路的发展。然而，由于衍射极限，电介质光子器件无法缩小到与计算机处理器中的半导体部件相当的尺寸。相比之下，由于热量和阻容(rc)延迟时间问题，处理器中的电子互连在速度上受到限制。“光子”方法比如硅光子是芯片到芯片和芯片上互连的有前途的解决方案之一，因为光子提供高带宽数据传输、低功耗和无串扰通信。然而，障碍是光子器件的尺寸在很大程度上受到衍射的限制，这意味着光不能在尺寸小于波长一半的光波导中引导，这严重限制了纳米尺度光子电路的发展。
6.等离子体激元提供低于衍射极限的光导，同时仍保持高光学带宽，提供了纳米级光波处理的不同解决方案。表面等离子体激元(等离子体激元波)是沿着金属和电介质之间的界面传播的电磁波，具有远低于光的衍射极限的纳米级光限制。已经实现了各种各样的等离子体激元波导和器件来形成基于芯片的等离子体激元系统的构建块，例如等离子体激元条纹、楔形、缝隙或纳米线波导、分束器和多路复用器、互连等。
7.然而，到目前为止，还没有简单有效的方法将来自衍射受限波导的光耦合到等离子体激元纳米结构或纳米电路中的高度受限模式中，同时保持光子功能。已经进行了多种尝试来获得等离子体激元模式和光纤模式之间的有效光耦合，包括使用光栅耦合和与透镜、处理器、自由空间传输、散射光和收集散射光的端射耦合，以及其他步骤和部件。这些方案需要复杂的纳米制造和光学对准，并且在本发明之前所展示的系统不具有多功能性。此外，通过外部电/光调制任意控制单个等离子体激元波的相位和振幅的等离子体激元电路的有源版本似乎是尚未实现的里程碑。
8.已经尝试在光纤刻面上制造等离子体激元元件，使得等离子体激元元件可以直接与光纤相互作用。这种尝试通常是用诸如金的金属涂覆光纤末端，以支持等离子体激元模式，而不是波导或电路。等离子体激元元件可以直接与光纤中良好引导的空间模式图案相互作用。诸如衍射光栅、光镊和等离子体激元传感器之类的紧凑光学部件已经通过在传统光纤的刻面上的周期性金属纳米结构(即缝隙、孔和棒)来实现。然而，这些光纤上的等离子体激元纳米结构限于激发不传播的局域等离子体激元，因此限制了等离子体激元光纤的潜在应用。此外，大多数报道的光纤上的等离子体激元元件是无源的，因此在制造后光学功能不能改变。
9.因此，需要将新材料和新的等离子体激元纳米结构集成到光纤中，以增强处理和传输能力以及新的功能。


技术实现要素：

10.本公开提供了使用等离子体激元和新颖的基于ε近零(enz)折射率材料的光纤应用来设计高级光学应用的器件、包括电路的系统和有效方法。本公开提供了光纤尖端纳米电路中传播的等离子体激元的相位和振幅的光学可调谐性、非线性光学效应和谐振网络的增强，并且集成了用于新型光纤内应用的可调谐等离子体激元和enz材料效应。等离子体激元纳米电路设计和enz材料特性的光学和电学功能的集成扩展了具有高运行速度和低功耗的光纤的功能。本发明使用聚焦离子束和电子束光刻技术等方法，在光纤芯的刻面上直接产生等离子体激元功能芯片的有效耦合。本发明还可以使用门可调谐enz材料来电学和非线性光学调谐等离子体激元纳米结构和用于高级光操纵的谐振导波电路。本发明有效地集成和操纵了用于光纤纳米电路中相位和振幅调制的电压调谐enz谐振。利用等离子体激元结构的相位灵活性和功能性，可以增强光纤内的光学部件，例如滤波器和放大器、线性偏振器、聚焦透镜和高效的光纤光镊。
11.本公开提供了一种纳米电路器件，包括：形成有刻面的第一光纤；以及一体形成在所述刻面上的纳米电路，所述纳米电路包括：纳米耦合器，配置为将来自第一光纤的光能与纳米电路上的等离子体激元能量直接耦合；以及至少一个波导，形成在纳米电路中并耦合到纳米耦合器，该波导配置为在纳米电路上传导等离子体激元能量。
12.本公开还提供了一种制造纳米电路器件的方法，包括：提供形成有刻面的光纤；在刻面上沉积金属层；将缝隙铣削到刻面上的金属层中，并配置为形成波导；以及将纳米耦合器铣削到刻面上的金属层中，并配置成将来自光纤的光能与波导中的等离子体激元能量直接耦合。
附图说明
13.专利或申请文件包含至少一幅彩色附图。应要求并支付必要的费用后将提供本专利或专利申请出版物的彩色图纸副本。
14.图1是根据本发明的纳米电路系统的实施例的示意图。
15.图2是用于在光纤刻面(这里也称为“尖端”)上形成集成纳米电路的制造过程的示意图。
16.图3a是具有带天线的缝隙等离子体激元波导的示例性光纤纳米电路的示意图。
17.图3b是用于将光纤模式耦合到等离子体激元缝隙波导模式的示例性天线的示意图。
18.图3c是图3a所示的等离子体激元缝隙波导模式的竖直剖面示意图，示出了缝隙中的光的电场分量。
19.图4a是光刻面上的示例性等离子体激元缝隙波导纳米电路的sem图像。
20.图4b是图4b的波导的放大sem图像。
21.图4c是光刻面上的另一示例性等离子体激元缝隙波导的sem图像。
22.图4d是图4c的波导的放大sem图像。
23.图5a是波导纳米电路的重叠光学图像和sem图像。
24.图5b是在1550nm波长下波导和输出的sem图像。
25.图5c是中1630nm波长下波导和输出的sem图像。
26.图5d是示出了在1500-1630nm波长范围内单个波导的示例性耦合效率的图表。
27.图6a是光纤上多通道波导纳米电路的sem图像。
28.图6b是示出四个输出信号的测量的远场光学图像。
29.图6c是靠近光纤的芯和输出区域的放大的测量远场光学图像。
30.图6d是图6a的多通道波导纳米电路的放大sem图像。
31.图6e是图6d的多通道波导纳米电路的放大sem图像，示出了输出天线端口。
32.图6f是图6e的多通道波导纳米电路的放大sem图像，示出了光纤芯附近的输入天线。
33.图6g是类似于图6a电路的多通道波导纳米电路的sem图像，但在保偏光子晶体光纤(pm-pcf)上。
34.图6h是图6g的多通道波导纳米电路的放大sem图像。
35.图6i是图6h的多通道波导纳米电路的放大sem图像，示出了光纤芯附近的输入天线。
36.图7a是制造集成定向耦合器纳米电路之前的光纤刻面的sem图像。
37.图7b是制造示例性等离子体激元定向耦合器之后的光纤刻面的放大图。
38.图7c是图7b的等离子体激元定向耦合器的进一步放大。
39.图7d是测量的远场光学图像，示出了1550nm下的两个输出。
40.图7e是测量的远场光学图像，示出了1630nm下的两个输出。
41.图7f是具有另一示例性集成定向耦合器纳米电路的熊猫形(ps)光纤刻面的sem图像。
42.图7g是图7f的示例性等离子体激元定向耦合器在1630nm波长下的远场测量的重叠图像。
43.图7h是使用超连续谱(sc)源激光器而没有滤光器的图7f的等离子体激元定向耦合器的远场图像。
44.图7i是在与入射辐射交叉偏振下检测的波长为1480nm的测量远场光学图像。
45.图7j是在与入射辐射交叉偏振下检测的波长为1550nm的测量远场光学图像。
46.图7k是在与入射辐射交叉偏振下检测的波长为1650nm的测量远场光学图像。
47.图8a是示例性偏振分束器纳米电路的sem图像。
48.图8b是图8a的偏振分束器的输入天线的放大sem图像。
49.图8c是图8a的偏振分束器的测量远场光学镜像，示出了通过具有水平对准的输入天线的波导传输的水平入射偏振光。
50.图8d是图8a的偏振分束器的测量的远场光学镜像，示出了通过具有竖直对准的输入天线的波导传输的竖直入射偏振光。
51.图8e是示出了根据它们各自与水平和竖直偏振输入的水平或竖直对准的图8a的偏振分束器中示出的每个波导的透射强度的图表。
52.图8f是示出了根据它们各自与不在水平或竖直平面内的旋转偏振输入的水平或竖直对准的图8a的偏振分束器中示出的每个波导的透射强度的图表。
53.图9a示出了在平面衬底上制造的示例性谐振导波网络(rgwn)纳米电路的sem图像。
54.图9b示出了谐振尺寸为7.5μm的rgwn的测量光学图像，示出了波长为1570nm的输出。
55.图9c示出了波长为1550nm的输出的图8b的rgwn的测量光学图像。
56.图9d示出了不同尺寸的制造rgwn的sem图像。
57.图10a是谐振器尺寸为300nm的超紧凑rgwn纳米电路的示例性实施例的sem图像。
58.图10b是图10a的rgwn的测量光学图像。
59.图10c是谐振器尺寸为7.5μm的rgwn的另一示例性实施例的sem图像。
60.图10d是说明图10c的rgwn的端口1的示例性测量和模拟光谱的图表。
61.图10e是说明图10c的rgwn的端口2的示例性测量和模拟光谱的图表。
62.图10f是说明图10c的rgwn的端口4的示例性测量和模拟光谱的图表。
63.图11a是可调谐rgwn纳米电路的示例的示意图。
64.图11b是相应的透明导电氧化物(tco)波导的示意图。
65.图11c示出了施加偏压时的模拟响应。
66.图11d示出了未施加偏压时的模拟响应，示出了超快开关能力。
67.图12a是用于非线性光学开关的示例性可调谐enz/等离子体激元定向耦合器纳米电路的示意图。
68.图12b是图11a的定向耦合器的示例性对应tco波导的示意图。
69.图12c示出了具有低激发功率的enz/等离子体激元定向耦合器的模拟场分布。
70.图12d示出了具有高激发功率的enz/等离子体激元定向耦合器的模拟场分布。
71.图13a是示出可调谐光纤enz纳米电路的示例性实施例的示意图，该纳米电路具有单模芯光纤、光纤尖端上的纳米电路和多芯光纤。
72.图13b是说明具有单模芯的可调谐光纤enz纳米电路的另一示例性实施例的示意图。
73.图13c是示出示例性可调谐光纤enz纳米电路的示意图，该纳米电路具有多芯光纤以向纳米电路提供多个输入。
74.图14a示出了光纤等离子体激元波导传感器的示意图。
75.图14b是图14a的纳米结构的放大图。
76.图14c示出了具有长相互作用长度的光纤上的制造结构的示例。
具体实施方式
77.上面描述的附图和下面具体结构和功能的书面描述并不限制申请人已经发明的范围或所附权利要求的范围。相反，提供附图和书面描述是为了教导本领域技术人员制造和使用寻求专利保护的发明。本领域技术人员将理解，为了清楚和理解，没有描述或示出本发明的商业实施例的所有特征。本领域技术人员还将意识到，结合本公开的各方面的实际商业实施例的开发将需要许多特定于实现的决定，以实现开发者对商业实施例的最终目标。这种特定于实现的决定可以包括，并且可能不限于，符合与系统相关的、与商业相关的、与政府相关的以及其他约束，这些约束可以随着特定的实现或位置或者随着时间而变化。虽然从绝对意义上来说，开发者的努力可能是复杂和耗时的，但对于受益于本公开的本领域普通技术人员来说，这种努力将是例行的任务。必须理解的是，这里公开和教导的发明容易有许多不同的修改和替代形式。单数术语的使用，例如但不限于“一个”，并不旨在限制项目的数量。此外，该系统的各种方法和实施例可以彼此结合，以产生所公开的方法和实施例的变型。单数元素的讨论可以包括复数元素，反之亦然。对至少一个项目的引用可以包括一个或多个项目。此外，实施例的各个方面可以彼此结合使用，以实现本公开的理解目标。除非上下文另有要求，术语“包括”或其变体应当被理解为暗示至少包括所述元件或步骤或者元件或步骤组或其等同物，而不排除更大的数值或任何其他元件或步骤或者元件或步骤组或其等同物。术语“耦合”、“耦合器”以及类似术语在本文中被广泛使用，并且可以包括用于将一个或多个构件固定、结合、粘结、紧固、附接、接合、插入其中、在其上或其中形成、连通或者以其他方式例如机械地、磁性地、电气地、化学地、可操作地、直接或间接地与中间元件关联在一起的任何方法或装置，并且还可以包括但不限于以一体的方式将一个功能构件与另一个功能构件一体地形成。耦合可以发生在任何方向，包括旋转方向。装置或系统可以用于多个方向和方位。除非特别限定，步骤的顺序可以以各种顺序出现。这里描述的各种步骤可以与其他步骤结合，插入所述步骤，和/或分成多个步骤。为了简单起见，一些元件由设备名称来命名，并且将被理解为包括系统或部分，例如处理器将包含本领域普通技术人员已知的相关部件的处理系统，并且可能不被具体描述。在说明书和附图中提供了执行各种功能的各种示例，这些示例在形状、尺寸、描述方面是非限制性的，但用作示例性结构，根据本文包含的教导，本领域普通技术人员将会知道这些示例性结构可以变化。
78.总的来说，本发明提供了使用等离子体激元设计高级光学应用的有效方法和基于新型enz材料的光纤应用。本发明至少在一个方面将光电可调谐等离子体激元纳米电路和器件集成到光纤尖端中，用于先进的光操纵和通信。本发明可以通过各种技术，包括聚焦离子束和电子束光刻技术，在光纤芯的刻面上直接产生等离子体激元功能芯片的有效耦合。本发明还可以使用门可调谐enz材料来电学和非线性光学调谐等离子体激元纳米结构和用于高级光操纵的谐振导波电路。
79.在本发明中，可以制造具有等离子体激元纳米电路的光纤尖端用于光操纵。然而，已知的先前报道的等离子体激元结构限于局域等离子体激元的激发，因此限制了等离子体激元波的操纵能力，并因此限制了纳米结构增强的等离子体激元光纤的功能。本发明可以提供具有可调谐性的复杂等离子体激元纳米电路，以提高等离子体激元光纤功能。
80.图1是根据本发明的纳米电路系统的实施例的示意图。图1示出了具有光纤4的纳米电路系统2，该光纤4具有至少一个带刻面8的芯6。纳米电路10形成在光纤刻面8上，因此
与光纤成一体，用于与刻面耦合，其中光纤4向纳米电路提供输入能量。在至少一些实施例中，另一光纤12耦合到纳米电路，以从纳米电路接收能量，并通过光纤12中的一个或多个输出端口14发射能量。示例性纳米电路10a-10f在纳米电路10的放大图中示出。非限制性地，这样的示例可以包括调制器/波导10a、光分配器10b、定向耦合器/解复用器10c、导波谐振器/路由器10d、偏振耦合器10e和复杂结构10f。本公开提供了一种可调谐纳米电路，其可以提供诸如光开关、复用/解复用、定向耦合、路由和谐振/感测效应的特征。出于本文的目的，术语“纳米”意在包括高达1000纳米的单个器件，更具体地，高达几百纳米。这些可调谐纳米回路光纤尖端可以产生新型通信和光学和/或生物感测器件。本公开直接在光纤的刻面上提供复杂的等离子体激元纳米电路，例如间隙等离子体激元波导、多通道等离子体激元波导、等离子体激元定向耦合器和谐振导波网络，该刻面是光纤的刻面。可以使用例如聚焦离子束铣削和电子束光刻技术在刻面上制造纳米电路。在刻面上沉积材料可以包括使用原子层沉积(ald)技术来沉积例如用于等离子体激元纳米电路的透明导电氧化物(tco)或金属氮化物ε接近零(enz)材料。enz材料可用于在光纤电路上有效激发门可调谐enz模式。电偏压可以主动控制光纤上的等离子体激元/enz纳米结构，以实现多功能性。本公开还提供了利用增强的enz非线性特征来控制等离子体激元/enz混合电路，用于有效的非线性光学开关和操纵。本发明可以利用电子和光学开关功能来设计光网络，以及集成到光纤尖端中的路由和功能器件。此外，本公开提供了通过在具有等离子体激元/enz纳米电路的导电氧化物/金属氮化物活性层中用enz模式激发发射器/分子来增强量子和拉曼发射效应。本公开中教导的基本原理的结果可以在多个非限制性示例中示出。
81.优化的配置提供了从光纤到等离子体激元纳米电路的直接耦合，而不需要庞大的光学部件。这种能力减少了对芯片-芯片配置且甚至光纤-芯片配置的需求，并朝着将这些集成电路直接组合在光纤刻面上的方向发展。本公开提供了一种紧凑的光纤内器件，其由光纤尖端上的等离子体激元纳米电路构成。这些器件将潜在地降低光子集成电路(pic)(也称为“集成光路”)的复杂性，并提供独立的光学系统，该光学系统允许光耦合进出纳米电路，用于等离子体激元纳米电路内的信号处理。本文提供的实施例示出了用于光纤尖端上的独特等离子体激元网络的光纤刻面中的制造技术，以举例说明电路的图案化如何能够导致在光纤上结合紧凑的光学电路。
82.图2是用于在光纤刻面(这里也称为“尖端”)上形成集成纳米电路的制造过程的示意图。例如，保偏光子晶体光纤(pcf)和熊猫形(ps)光纤4可以用于这些纳米电路。首先劈开刻面8，然后通过室压为10-3托的rf磁控溅射机或热蒸发技术，在光纤的刻面上沉积导电层16，例如约200纳米厚的金属层，例如金层。沉积了金的纤维4可被带到双束聚焦离子束扫描电子显微镜(fib-sem)或其他合适的处理系统18，用于纳米电路10的进一步处理和制造。光纤可以竖直地附接到支架上，使得光纤的尖端在横截面上是平的，并且光纤不会倾斜。光纤刻面可以定位成使得光纤芯的中心与选定的设计图案关联。
83.纳米电路可以在例如传统的熊猫形保偏光纤上形成图案。这些光纤有两个较高折射率材料的大叶片，围绕在固体芯的两侧。再比如光子晶体光纤(pcf)，包括保偏pcf(pm-pcf)。聚焦离子束(fib)可以铣削光纤。电子束光刻也可用于制造具有小特征尺寸(例如《100纳米)的纳米结构。fib中的ga 离子流可用于直接铣削纤维上的纳米结构。30kv的外加电压和10pa的离子束电流可用于制造过程。
84.图3a-3c是用天线将光纤模式有效耦合到等离子体激元缝隙波导模式的示意图和电子显微照片的图形描述。图3a是具有缝隙等离子波导的示例性光纤纳米电路的示意图。图3b是用于将光纤模式耦合到等离子体激元缝隙波导模式的示例性天线的示意图。图3c是图3a所示的等离子体激元缝隙波导模式的竖直剖面示意图，示出了缝隙中的光的电场分量。导电层16可被铣削以在该层中形成缝隙20。如图3b所示，天线22可用于有效地将电磁信号作为光通过光纤耦合到等离子体激元缝隙波导中，并实现窄方向性。虽然未示出，但可以使用其他纳米耦合器，例如等离子光栅耦合器、等离子波导锥体和纳米粒子耦合器。天线可以高效率地转换模式。蝶形天线已被证明具有10％的耦合效率。八木天线已经显示出从缝隙波导到空气和衬底具有45％的入耦合效率和60％的发射效率，并且通常用于在此说明的纳米电路。从图3b可以看出所制造的八木-宇田天线的相对维度，其中两个偶极天线部件之间的间隙和波导的宽度分别接近80nm和300nm的预期设计。天线耦合允许前向传播的芯模式直接耦合到等离子体激元纳米结构，而无需传统的复杂棱镜耦合。空气和二氧化硅包层金波导的耦合效率分别为15％和45％。这种天线的部件包括双偶极天线，并且它们中的每个都经由馈送元件连接到等离子体激元波导缝隙。无源元件即反射器位于偶极天线的背面，进一步增强了波导中的馈电机制。可以选择天线的长度，使得天线在1550nm下具有最大耦合效率。在至少一个实施例中，通过在光纤的芯区域附近制造纳米电路，光纤的芯光可以耦合到等离子体激元缝隙波导。诸如400nm厚的厚二氧化硅玻璃层22沉积在用于对称耦合的结构的顶部。
85.然后可以用远场测量装置测量样品。测量的光学图像显示检测到来自输出天线的大量发射光，这意味着表面等离子体激元(spp)导向模式在如图3c所示的等离子体激元缝隙波导中的良好耦合和传播。
86.图4a是光刻面上的示例性等离子体激元缝隙波导纳米电路的sem图像。图4b是图4b的波导的放大sem图像。图4c是光刻面上的另一示例性等离子体激元缝隙波导的sem图像。图4d是图4c的波导的放大sem图像。这些图像示出了刻面8上的波导纳米电路10a，并且作为示例，可以形成在传统的保偏(pm)光纤4上或者pm光子晶体光纤上。90
°
弯曲用于转变发射天线的波导模式极化，从而允许交叉极化远场成像，对于期望的输出信号具有良好的信噪比(抑制向前传播的入射光)。pcf用于确保在纳米制造和光学测量过程中等离子体激元波导/天线的对准。远场测量显示，来自芯模式的光可以有效地耦合到等离子体激元波导模式，并且面内等离子体激元模式可以正交输出偏振在发射天线中传播和发射。对于正交于天线方向的输入芯偏振，很少或没有光从发射天线发射，指示等离子体激元模式与目标偏振态的耦合。传统单模光纤和光子晶体光纤的典型纤芯直径约为4-6微米，八木天线的尺寸约为1μm。为了有效利用整个纤芯模式区域，本发明可以包括具有多个输入天线的多个复杂结构。利用具有多个输入的复杂纳米结构，可以极大地增强到等离子体激元纳米电路的总耦合效率。
87.图5a-5d示出了波长为1550nm和1630nm的等离子体激元缝隙波导纳米电路上的入射光的示例性nir光学相机图像以及相关的响应。图5a是波导纳米电路的重叠光学图像和sem图像。图5b是在1550nm波长下波导和输出的sem图像。图5c是在1630nm波长下波导和输出的sem图像。图5d是示出了在1500-1630nm波长范围内单个波导的示例性耦合效率的图表。在图5a中，说明性单个波导10a耦合来自输入端口32中的输入天线26的光，以在芯外部
的包层处从输出端口34处的输出天线28发射光。在图5b中，在1550nm下，输出光比输入光更亮。在图5c中，在1630nm下，输入光比输出光更亮。从1500-1630nm，以每5nm的步长记录刻面的近红外(“nir”)图像。耦合输出天线的这些图像然后被归一化为具有相同输入激光功率的相似长度的空白ps光纤的图像。该归一化数据给出了单个波导在1500-1630nm波长范围内的耦合效率，如图5d所示。结果显示，在1500-1630nm的波长范围内，说明性单个波导的总效率(包括输入/输出耦合、弯曲损耗和传播损耗)被测量为约0.2％。
88.图6a-6i示出了在光子晶体光纤和pm-pcf光纤上制造的示例性等离子体激元多通道波导结构。图6a是光子晶体光纤光纤刻面8上的多通道波导纳米电路的sem图像。图6b是示出四个输出信号的测量的远场光学图像。图6c是光纤的芯和输出区域附近的图像。该示例示出了具有四个相同输入天线26和四个不同长度(15、12、9、6微米)的独立波导30的纳米电路10a。如图6b和6c所示，测量的光学图像示出了光纤芯模式可被耦合和分布到四个单独的等离子体激元波导，对于最短的波导具有最高的输出强度，并且随着较长的波导长度强度逐渐降低。在1550nm的波长下(通过测量不同波导长度的透射光谱)，测量的等离子体激元波导损耗约为0.45db/μm。八木天线参数(如长度、宽度、间隙大小)可以设计为最大化耦合效率。全波电磁3d模拟显示，从6微米芯模式到缝隙宽为300nm的单个等离子体激元波导，可以实现约6％的耦合效率(对于非优化天线)。例如，集成四个或五个输入天线将导致约30％的总耦合效率，并且通过优化天线和芯的几何形状，耦合效率可能大于50％，从而导致光纤尖端上的高效等离子体激元系统。
89.图6g是类似于图6a电路的多通道波导纳米电路的sem图像，但在保偏光子晶体光纤(pm-pcf)上。图6h是图6g的多通道波导纳米电路的放大sem图像。图6i是图6h的多通道波导纳米电路的放大sem图像，示出了光纤芯附近的输入天线。该附加实施例展示了在多根光纤上形成的能力。
90.图7a-7e示出了在pm光纤上制造的具有多个输出通道的示例性等离子体激元定向耦合器纳米电路。图7a是制造集成的定向耦合器纳米电路之前的光纤刻面的sem图像。图7b是制造示例性等离子体激元定向耦合器之后的光纤刻面的放大图。图7c是图7b的等离子体激元定向耦合器的进一步放大。图7d是测量的远场光学图像，示出了1550nm下的两个输出。图7e是测量的远场光学图像，示出了1630nm下的两个输出。这里的教导可以用于创建等离子体激元定向耦合器纳米电路10c。作为示例，等离子体激元定向耦合器可以在熊猫型pm光纤4的刻面8上产生，如图7a和7b的sem图像所示。本发明利用这种等离子体激元定向耦合器提供了光学开关特性。等离子体激元光学定向耦合器包括两个相邻的波导30a和30b，其中一个单个波导沿着每个波导的水平部分平行于另一个波导。(在图7a和7b中，蚀刻圆环以帮助识别包层中的“熊猫”结构，从而可以根据pm光纤的慢/快轴制造该结构，用于交叉偏振远场检测。)在该示例中，两个缝隙波导30a和30b具有300nm的宽度，波导之间的间隔为80nm，耦合长度为3μm。输入天线26a和输出天线28a处的八木天线是为长度为22μm(水平部分)的单缝隙波导30a和连接到输出天线的6μm竖直缝隙波导部分定制的。平行于来自输入的波长延伸的另一缝隙波导30b具有10μm的水平长度，在该长度下可以观察到倏逝场的耦合。在90
°
弯曲和竖直波导之后，附加缝隙波导的两端可被定制为输出天线28b。一个波导中的功率可以快速地来回耦合到另一个波导。例如，分隔两个平行延伸的波导的薄金属膜的厚度可以在50-100纳米的范围内。根据耦合长度和工作波长(影响两个波导的耦合系数)，光功
率可以在不同的波导输出之间切换，或者在两个波导上平均分配。光通过芯耦合，并且可以通过输出端口o1或输出端口o2发射，这取决于工作波长。入射辐射的入射偏振态与输入天线方向一致，这有助于如上所述在缝隙波导中有效地耦合spp模式。
91.模拟显示，在至少一个实施例中，可以实现从波导30a到波导30b的550％的发射比。结果显示，光可以耦合到等离子体激元定向耦合器，并且以1550nm的波长从输出端口o1和o2相等地发射，如图7d所示。如图7e所示，在1630nm的波长下，更多的光通过输出端口o2发射，这表明了初始的定向耦合特性和最终的开关特性。通过改变分离和耦合长度可以进行额外的优化。
92.图7f是具有另一示例性集成定向耦合器纳米电路的熊猫形(ps)光纤刻面的sem图像。图7g是图7f的示例性等离子体激元定向耦合器在1630nm波长下的远场测量的重叠图像。图7h是使用超连续谱(sc)源激光器而没有滤光器的图7f的等离子体激元定向耦合器的远场图像。图7i是在与入射辐射交叉偏振下检测的波长为1480nm的测量远场光学图像。图7j是在与入射辐射交叉偏振下检测的波长为1550nm的测量远场光学图像。图7k是在与入射辐射交叉偏振下检测的波长为1650nm的测量远场光学图像。cw超连续谱(sc)激光器与带通滤波器一起用于纳米电路的远场测量。图7g示出了重叠的远场光学测量图像和sem图像，清楚地显示了输出的耦合。图7h示出了当没有使用滤波器时，输出天线与sc源的明显耦合，其中光传导到波导上的所有天线。图7i示出了当带通滤波器的带宽为
±
10nm，波长为1480nm时的远场测量。测量示出输出端口o1(o1＝交叉输出，强度lcross)的强度高于输出端口o2(o2＝棒输出，强度ibar)。图7j示出了输出端口o1和o2在1550nm下几乎相等的强度。图7k示出了输出端口2在1650nm下的较高强度。因此，图7j示出了图7i和图7k之间的功率耦合。
93.其余附图中示出的实施例代表预言性的实施例。图8a-8f示出了偏振分束器纳米电路形式的另一种纳米电路。图8a是示例性偏振分束器的sem图像。图8b是图8a的偏振分束器的输入天线的放大sem图像。图8c是图8a的偏振分束器的测量远场光学镜像，示出了通过具有水平对准的输入天线的波导传输的水平入射偏振光。图8d是图8a的偏振分束器的测量的远场光学镜像，示出了通过具有竖直对准的输入天线的波导传输的竖直入射偏振光。图8e是示出了根据它们各自与水平和竖直偏振输入的水平或竖直对准的图8a的偏振分束器中示出的每个波导的透射强度的图表。图8f是示出了根据它们各自与不在水平或竖直平面内的旋转偏振输入的水平或竖直对准的图8a的偏振分束器中示出的每个波导的透射强度的图表。
94.偏振分束器10d允许利用芯模式的偏振态切换光纤上纳米电路的输出信号。具有输入天线26a-26d(通常为26)的图8a的及图8b中放大的实施例可以与光纤芯轴向对准。输入天线26在sem图像中水平和竖直对准，通常成直角。图8b中图像左边和右边的一组输入天线26a和26b与相应的天线28a和28b竖直对准，在波导w1和w2中弯曲后提供输出。图8b中图像顶部和底部的另一组输入天线26c和26d与相应的天线28c和28d水平对准，在波导w3和w4弯曲后提供输出。在光学测量中，可以在输入端的线性偏振器之后添加额外的光学元件，即半波片。半波片可以向任何方向旋转，以改变进入光纤的入射光的偏振态。当以θ角旋转时，该半波片的使用通过2θ改变了偏振，同时对光路中的耦合/对准几乎没有影响。例如，如图8c所示，光纤中入射信号的水平偏振态激发了与相应偏振对准的输入天线26c和26d，因此波导w3和波导w4被点亮，从而可以观察到传输。类似地，如果偏振被切换到竖直偏振态，则
光纤中的入射信号激励与相应偏振对准的输入天线26a和26b，因此波导w1和波导w2被点亮，从而观察到传输。如果光以任何其他角度入射，那么透射率将根据它们在每个方向上的分解分量来获得。理想情况下，当入射偏振态与水平成45
°
时，四个输出天线中的每个都应该被观察到同等地发射信号。由于测试数据和该示例的制造，图8f中所示的示例在实验上聚焦在不同的角度，因此主要用于说明概念而非精确程度。
95.图9a-9d示出了作为光纤尖端的紧凑谐振导波网络(rgwn)纳米电路10e的一组示意图。图9a示出了在平面衬底上制造的示例性rgwn纳米电路的sem图像。图9b示出了谐振尺寸为7.5微米的rgwn结构的测量光学图像，示出了在1570nm波长下输出端口o1为高而输出端口o2为低。图9c示出了图9b的rgwn结构的测量光学图像，其中在1550nm波长下输出端口o1为低，输出端口o2为低。图9b和图9c之间的比较说明了rgwn在不同波长下的开关特性。图9d示出了制造的具有不同尺寸的rgwn的sem图像，以证明在纳米电路中光纤刻面上的可能性。
96.图10a-10f示出了超紧凑rgwn纳米电路的示意图和显示结果的各种图表。图10a是谐振器尺寸为300nm的超紧凑rgwn纳米电路10e’的示例性实施例的sem图像。图10b是图10a的rgwn的测量光学图像。图10b显示了与三个输出端口的有效耦合。图10c是谐振器尺寸为7.5μm的rgwn 10e”的另一个示例性实施例的sem图像。图10d是示出图10c的rgwn的端口o1的示例性测量和模拟光谱的图表。图10e是说明图10c的rgwn的端口o2的示例性测量和模拟光谱的图表。图10f是说明图10c的rgwn的端口o4的示例性测量和模拟光谱的图表。
97.在至少一个实施例中，等离子体激元rgwn纳米电路10e(如图9a所示)、10e’、10e”(通常为10e)可以用在光纤上，其中由于等离子体激元波的相干干涉，在网络内部形成多个谐振。为了将rgwn集成到光纤上，例如，八木型天线可以将光芯模式与光耦合到rgwn。高数值孔径(“na”)物镜可用于将激光聚焦成约1微米光斑，以激励输入天线。波长为1570nm和1550nm的rgwn的测量远场图像显示在图10b中。该图显示输出信号高度依赖于波长。“关/开”或“高/低”输出状态可以通过不同的波长来改变，从而由于谐振干涉而显示出波长选择器件和波长解复用特性。rgwn可用于开发具有波长选择功能的超紧凑电路。据信，如图10c和图10a所示，谐振尺寸从约7.5微米到约300纳米的rgwn可以常规地制造成具有良好的透射性。等离子体激元rgwn被认为能够达到至少亚百纳米尺度的尺寸，同时保持相干波干涉。在图10d-10f中测量了图10c中谐振尺寸为7.5微米的rgwn的发射光谱，并且示出了端口o1、o2和o4的结果。测量光谱中的拍频示出了多重传播波干涉引起的谐振性质。线36中的数值模拟结果示出了线38中的实验结果的光谱响应和振幅的相当一致，表明了使用rgwn开发纳米级谐振器件的能力。
98.通过网络的不同尺寸和网格，本发明可以提供谐振导波网络，该网络可以用于布尔开/关值的排列和光信号在纳米尺度上的分布。等离子体激元rgwn可用于光纤上紧凑光学逻辑或电信波长的波长复用/解复用器件，以不同的开/关组合将不同的波长路由到不同的传输端口，以开发光纤耦合纳米电路。
99.本发明通过结合场效应导电氧化物材料的强电可调谐性和enz非线性，以及谐振导波网络和定向耦合器的概念，可以进一步改善等离子体激元结构。结果是电门可控和超快非线性光学可调谐等离子体激元网络，其可以用作具有一百多个开/关布尔状态的超快(》100ghz)开关、耦合和多通道逻辑部件。
100.图11a-11d示出了可调谐rgwn纳米电路10e
”’
的示例，其可以重新配置用于有源信号处理以及相关的示意图和光学图像。图11a是可调谐rgwn纳米电路的示例的示意图。图11b是相应的透明导电氧化物(tco)波导的示意图。图11c示出了施加偏压时的模拟响应。图11d示出了未施加偏置时的模拟响应，示出了超快开关能力。至少一个实施例包括将enz材料选择性地集成到图11a和11b所示的亚波长尺寸天线耦合等离子体激元缝隙波导网络10e
”’
中。为了主动控制光纤内等离子体激元rgwn的谐振行为，本发明可以在mos型结构中使用enz材料的场效应调谐，例如导电氧化物或氮化物，如图11b所示。示例性mos器件包括可用于形成纳米电路部分的金属层16、金属层16上的电介质绝缘层42和tco层。出于本文的目的，“tco”材料包括ito、azo或tin，以及具有透明性和电子传导性的类似材料。介电绝缘体通常具有高介电值，例如氧化铝(al2o3)、二氧化铪(hfo2)、掺铝氧化锌(azo)或具有合适介电绝缘特性的其他材料。如图3a所述，金属层16可以沉积在光纤4的刻面8上，并被铣削以形成缝隙20、纳米耦合器(比如天线)和纳米电路的其他结构。在金属层上的聚焦离子束(fib)铣削/电子束光刻过程之后，电介质绝缘层42可以例如通过原子层沉积(ald)或溅射沉积在金属层16上。tco层44可以沉积在介电层42上。金属、电介质绝缘体和tco层可以通过引线键合技术或与专门设计的光纤保持器的物理接触来耦合。这种耦合将允许基于累积的电子分布和可控相位和振幅的可调谐介电常数来有效控制光学限制，从而控制网络的谐振特性。特别地，当信号波长接近电压调谐的导电氧化物累积层中的enz谐振时，可以实现传播模式的大的有效折射率，从而导致谐振信号的强调制。
101.电调制的数值模拟结果如图11c和11d所示。作为具有“开/关”状态的图像顶部的两个输出端口的信号可以通过施加例如3v的栅极电压来交替。tco enz场效应可调谐性影响等离子体激元定向耦合器的开关特性。通过减小rgwn或定向耦合器中具有低栅极电容的tco场效应结构(例如2-3微米)的尺寸，调制的操作速度可以超过几十ghz到几百ghz，同时具有相当低的能耗(《1fj/bit)。
102.tco材料异常大的enz非线性可以用来动态控制复杂的光波和等离子体激元纳米电路的功能。tco材料异常大的enz非线性包括在enz波长附近异常高的非线性折射系数(n2)和azo enz薄膜的非线性吸收系数(β2)。利用波长为1550nm的超快飞秒激光，通过z扫描非线性测量技术获得了n2(eff)～10-8mm2/w和β2(eff)～-10-4
cm/w的测量系数。测量的enz薄膜的非线性可能很强(比高度非线性的硫族化物玻璃高2-3个数量级),并且可以在沉积azo材料期间通过ald参数进一步调谐。
103.图12a-12d示出了作为可调谐定向耦合器的纳米电路的示例和相关示意图。图12a是用于非线性光学开关的示例性可调谐enz/等离子体激元定向耦合器纳米电路10c的示意图。图12b是图12a的定向耦合器的示例性对应enz波导的示意图。图12c示出了具有低激发功率的enz/等离子体激元定向耦合器的模拟场分布。图12d示出了具有高激发功率的enz/等离子体激元定向耦合器的模拟场分布。enz非线性可以与等离子体激元纳米结构组合，用于光纤纳米电路的超快光学控制。如图12b所示，可以通过在金属层16上沉积tco层44来展示诸如图6a中的等离子体激元缝隙波导和诸如图7c中的等离子体激元定向耦合器的超快光学可调谐特性。例如，可以通过ald/溅射技术在缝隙等离子体激元波导的金属层16上沉积20-30nm厚的tco层44，其在飞秒激光工作波长(例如1550nm)下呈现enz波长。图3a中描述的氧化硅层24可以沉积在tco层44上。由于等离子体激元波导的强光学限制和enz的高光学
非线性，传播的等离子体激元波的相位和振幅可被超快飞秒脉冲改变。利示出了用z扫描技术测量的非线性的模拟azo enz等离子体激元缝隙波导的光传播变化。随着在enz波长下模式的有效折射率从1.515 0.308i(低功率)增加到1.569 0.136i(高功率)，在enz波长附近可以获得大的非线性光诱导折射率变化。这种变化可以将模式的传播损耗从10.33db/μm(低功率)降低到4.57db/μm(高功率)，并导致场限制的变化，如图12c和12d所示。增强的enz非线性效应可以与如图7a所示的等离子体激元耦合器和如图9所示的rgwn一起使用。高色散光学定向耦合器提供了一个平台，其中enz材料的非线性响应将对系统的功率依赖性产生很大影响。在两个输出端口的输出发射强烈依赖于入射激光功率的情况下，会出现强非线性开关效应。
104.rgwn中传播的等离子体激元模式的空间和时间演化的组合电和光相干控制可以通过发射fs激光脉冲来激发耦合器的多个本征模式来研究，同时提供电选通以额外控制本征态的色散。总的来说，本发明可以集成有源导电氧化物材料和等离子体激元结构，允许用于新型纳米器件应用和下一代超紧凑高速集成纳米电路的高效有源光学部件具有超低功耗。
105.通过光纤纳米电路的有效耦合和功能，各种更高层次的应用可以基于超密集等离子体激元纳米电路。例如，非限制性示例可以包括利用光纤输入和输出的信号处理、光纤内量子源的量子发射的增强以及超灵敏光学/分子感测。
106.图13a-13g示出了用于集成光子通信的光纤enz纳米电路的示例性结构的示意图。为了证明光纤尖端纳米电路用作纳米级信号处理和操纵的超紧凑集成电路的概念，可以示出以下三个实施例。
107.图13a是示出可调谐光纤enz纳米电路器件2’的示例性实施例的示意图，该器件2’具有带单模芯6的光纤、光纤尖端上的纳米电路10以及带输出端口14的输出多芯光纤12。该实施例利用光纤尖端上的可调谐纳米电路10进行电子或非线性光学动态控制，其中输入来自单模芯6，用于输入到可调谐纳米电路。如图13d和13e所示，多芯光纤12与纳米电路10紧密耦合，以接收来自纳米电路的输入，用于来自多芯光纤的多个输出14。如图13f中的结构和图13g的放大图所示，根据入射的竖直/水平偏振，可以选择性地激励该结构的某些输出端口，从而提供另一种方式来操纵相干信号和输出选择。
108.图13b是示出具有单模芯6的可调谐光纤enz纳米电路器件2”的另一示例性实施例的示意图。该实施例利用光纤尖端上的可调谐纳米电路10进行电子或非线性光学动态控制，其中输入来自单模芯6，用于输入到可调谐纳米电路。多芯光纤10与纳米电路紧密耦合，以接收来自纳米电路的输入，用于具有与多芯光纤12更多或更不同特性的多个输出14。可以预见，这样的实施例可用于光学开关、波长解复用、谐振干涉或路由/布尔逻辑以及其他应用。
109.图13c是示出示例性可调谐光纤enz纳米电路装置2
”’
的示意图，该装置具有多芯光纤6’以向纳米电路提供多个输入。通过多芯光纤6’的多输入光可以耦合到纳米电路10’(例如rgwn或定向耦合器)并通过线性或非线性相互作用相干干涉，导致对传播光色散和相位/振幅调制的高级控制。纳米电路可以配置成接收来自芯6’的多个入射光。时间分辨泵浦探测装置可以探测通过多芯光纤的非线性动态。对于光纤纳米电路的电气控制，可以使用高速电子器件和检测器来监控高达数十ghz运行速度的输出信号。该实施例具有电子或非
线性光学动态控制，其中在输入来自多芯光纤的光纤尖端上具有可调谐纳米电路。输出多芯光纤12与纳米电路紧密耦合，以接收来自纳米电路的输入，用于不同性质的多个输出。光从纳米电路的多个输出端口发出，并直接耦合到输出多芯光纤12，用于例如用分光计或检测器收集光。为了实现这种纳米电路功能，enz材料可以用于电学和非线性光学调谐。如本文所述，多个输出端口的输出信号可以通过施加偏压或发射超快飞秒脉冲来控制。类似的检测方案可用于通过输出多芯光纤收集光，如图13a和13b所示。具有偏振相关耦合的器件2也可以用作控制纳米电路的手段。
110.已知分子/材料的光发射和非线性光学过程强烈依赖于电磁场强度，并且由于等离子体激元模式的高度限制，它们可被等离子体激元结构极大地增强。最近的研究表明，利用片上等离子体激元缝隙波导可以增强分子的拉曼发射。增强的发射归因于电场和purcell因子的增强以及光-物质相互作用体积和拉曼信号收集效率的增加。此外，最近，已经报道了等离子体激元purcell效应和量子发射器与enz材料之间的耦合的若干研究。为了提高enz/等离子体激元材料的发射增强能力，本发明超越了目前的理解，并且进一步利用了enz纳米层的场限制和光纤尖端纳米电路上的等离子体激元缝隙波导的长相互作用长度。
111.图14a-14c示出了用于增强拉曼和光学感测的光纤等离子体激元波导传感器纳米电路10f的示例。这种纳米电路可以通过与分子更好的相互作用来帮助本文等离子体激元波导的集成，并且可以接收来自一个或多个上述纳米电路的输入。图14a示出了光纤等离子体激元波导传感器的示意图。图14b是图14a的纳米结构的放大图。图14c示出了在具有长相互作用长度的光纤上制造的传感器纳米电路10f的示例。传感器可以如上所述通过沉积金属层16来形成，并被铣削以形成波导。然而，在这种纳米电路中，波导不是如在其他描述的波导中的直通路径，而是在离开金属层之前终止，作为“死端”。这种端部46反射波导30中的能量。如图14a和14b所示，本发明可以使用在光纤尖端上的tin/tco enz涂覆的等离子体激元缝隙波导，在enz区域使用来自发射器的增强的自发/拉曼发射。可以使用ald技术将enz薄膜沉积在光纤刻面上的等离子体激元缝隙波导上，并且可以将分子/发射器层叠到光纤的刻面上。光50可以通过芯6耦合，以激发等离子体激元缝隙波导30中的等离子体激元模式。传播的等离子体激元光可以与缝隙20中的分子/发射器相互作用，并且发射的光52可以耦合回芯。可以使用分束器在光纤的反射中收集拉曼信号/光谱。为了在平衡传播损耗的同时确保足够的光-物质相互作用长度，具有合理长度的新型结构，例如图14c所示的外切直径小于40微米的螺旋波导，可以制造在纤芯上，事实波导的端部46被终止以用于更强的光反射。将比较具有和不具有enz层的纳米电路的测量发射，以揭示enz发射增强。
112.增强的发射源于enz表面附近的高局域态密度，并且该增强高度依赖于有效耦合到enz谐振的发射器的偶极定向。等离子体激元缝隙波导中的类似耦合方案可用于增强发射器的光致发光和模拟/自发发射(例如量子点、上转换纳米晶体和激光材料)。在光纤纳米电路中证实的量子发射增强可以导致先进的光纤上量子源和光纤中拉曼感测应用。
113.在不脱离权利要求中限定的公开的发明的情况下，可以设计出利用上述发明的一个或多个方面的其他和进一步的实施例。例如，其他实施例可以包括其他形状和类型的光纤、用于在光纤上或光纤中形成薄膜的其他enz材料、其他mos结构和材料、其他厚度和频率以及权利要求范围内的上述具体公开之外的其他变化。
114.已经在优选和其他实施例的情况下描述了本发明，并且没有描述本发明的每个实施例。本领域普通技术人员可以对所描述的实施例进行显而易见的修改和变更。公开和未公开的实施例并不旨在限制或约束申请人构思的本发明的范围或适用性，而是，依照专利法，申请人旨在完全保护落入所附权利要求的等同范围或范围内的所有这些修改和改进。