一種表面等離子波信號放大器及其製作方法
2023-05-26 21:43:16 2
專利名稱：一種表面等離子波信號放大器及其製作方法
技術領域：
本發明涉及表面等離子波技術領域，特別涉及一種表面等離子波信號放大器及其製作方法。
背景技術：
SP (Surface Plasmon,表面等離子)波是在金屬和介質表面傳播的一種非福射電磁波，是納光子學的重要研究領域。利用SP波的性質，可以實現亞波長尺度的光子學器件，突破傳統集成光電子技術的限制，在未來高速通信系統、集成光子信息處理系統、新型生物光子學傳感器等領域有廣闊的應用前景。但由於金屬中的歐姆效應，SP波傳輸中有很強的損耗，即使採用了長程SPP(Surface Plasmon Polariton,表面等離子激元)波導技術,在可見光波段,傳播長度仍只有幾微米。這就需要一種可集成在SP波導中的SP波信號放大器。目前尚無可靠的表面等離子波的數位訊號放大技術，現有的增益補償法屬於模擬放大，會使信號和噪聲同時被放大。
發明內容
本發明要解決的問題是提供一種表面等離子波信號放大器及其製作方法，以克服現有技術中SP波傳播長度短的缺陷。本發明是一種閾值放大器，能夠有效的實現表面等離子波的數位訊號放大，且具有fs級的響應時間、THz級的帶寬和多波長工作能力。為達到上述目的，本發明提供一種表面等離子波信號放大器，所述放大器包括基底(1)、金屬層(2)和沉積介質層(3)；
所述金屬層(2)位於所述基底(1)和沉積介質層(3)之間，其頂面與所述沉積介質層(3)的底面連接，底面與所述基底(1)的頂面連接；
所述金屬層(2)的頂面開有貫通兩側的波導凹槽，所述波導凹槽的寬度為5(T90nm ;所述沉積介質層(3)的底面設置有與所述波導凹槽對應的凸起，所述波導凹槽和凸起形成波導⑷;
所述波導(4)的側壁上開有增益槽，所述增益槽的寬度為fl. 5 μ m，所述增益槽內填充有增益介質(6)和飽和吸收體(7)；
所述放大器還包括泵浦光發射裝置(5 )，用於發射激發所述增益介質(6 )的泵浦光。其中，所述波導(4)的另一側壁上可設置有支節結構(8)，所述支節結構(8)與所述增益槽相對。其中，所述金屬層(2)的頂面也可設置為諧振環耦合結構(9)，所述諧振環耦合結構(9)為圓環結構，由其尺寸決定的特定波長的等離子波可通過所述諧振環耦合結構(9)實現耦合。其中，作為實施例，所述基底(I)的材料為矽，金屬層(2)的材料為銀，沉積介質層
(3)的材料為二氧化矽、增益介質(6)的材料為若丹明，飽和吸收體的材料為DODCI (二乙基氧雜二羰花青碘化物)。
本發明還提供一種表面等離子波信號放大器的製作方法，所述方法包括以下步驟
A、在基底上濺射金屬層；
B、在所述金屬層上刻蝕增益槽；
C、在所述增益槽內填充增益介質和飽和吸收體； D、在所述金屬層上刻蝕貫通所述金屬層兩側的波導凹槽；
E、在所述金屬層上沉積介質，形成沉積介質層；
F、安裝泵浦光發射裝置，向所述增益介質發射泵浦光。其中，在所述步驟A中，具體包括採用等離子放電或電子束蒸發法在所述基底上濺射金屬層，所述基底的材料為矽，所述金屬層的材料為銀。其中，在所述步驟B中，刻蝕工藝採用幹法刻蝕，所述增益槽的寬度為廣I. 5 μ m。其中，在所述步驟C中，具體包括採用甩膠法在所述增益槽內填充增益介質和飽和吸收體，所述增益介質的材料為若丹明，所述飽和吸收體的材料為DODCI。其中，在所述步驟E中，具體包括採用等離子輔助沉積法在所述金屬層上沉積介質，形成沉積介質層，所述沉積介質層的材料為二氧化矽。其中，在所述步驟D中，刻蝕工藝採用電子束曝光法，所述波導凹槽的寬度為50 90nm。與現有技術相比，本發明具有以下有益效果
本發明能夠對SP波導傳輸的SP波實現超快信號放大，從而增加了 SP波的傳播長度。
圖I是本發明實施例I的一種表面等離子波信號放大器的結構示意 圖2是本發明實施例2的一種表面等離子波信號放大器的結構示意 圖3是本發明實施例3的一種表面等離子波信號放大器的結構示意 圖4是本發明實施例4的一種表面等離子波信號放大器的製作方法的流程 圖5是本發明實施例4的製作方法的各步驟對應的產品的狀態圖。其中，I.基底,2.金屬層,3.沉積介質層,4.波導,5.泵浦光發射裝置,6.增益介質，7.飽和吸收體，8.支節結構,9.諧振環稱合結構。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做進一步詳細地說明。實施例I
本實施例的一種表面等離子波信號放大器的結構如圖I所示，包括基底I、金屬層2和沉積介質層3 ；
所述金屬層2位於所述基底I和沉積介質層3之間，其頂面與所述沉積介質層3的底面連接，底面與所述基底I的頂面連接；
所述金屬層2的頂面開有貫通兩側的波導凹槽，所述波導凹槽的寬度為5(T90nm ;所述沉積介質層3的底面設置有與所述波導凹槽對應的凸起，所述波導凹槽和凸起形成MIM(金屬-介質-金屬)波導4，信號光經過所述波導4傳輸；所述波導4的側壁上開有增 益槽，所述增益槽的寬度為fl. 5 μ m，所述增益槽內填充有增益介質6和飽和吸收體7 ；
所述放大器還包括泵浦光發射裝置5，用於發射激發所述增益介質6的泵浦光。增益槽與波導4的交匯區形成一個等效的SP腔，通過計算設計該腔的模式與Q值，並與填充的增益介質 6 構成 SPASER(Surface Plasmon Amplification by StimulatedEmission of Radiatio,表面等離子受激福射放大)。SPASER技術是局域性表面等離子體與增益介質6結合形成的，當表面等離子激元與增益介質6的反轉粒子能級共振,產生類似於雷射器的能量轉移過程，形成SPP的受激輻射放大過程。在SPASER的增益介質6中植入飽和吸收體7，可以可以使其呈現雙穩態特性，克服SPASER內反饋引起的表面等離子增益飽和，使SPASER可作為放大器工作。選擇合適的飽和吸收體7與增益介質6的密度比，SPASER在雙穩態工作。在波導4中傳輸的SP波信號與SPASER耦合，在脈衝泵浦條件下，如傳輸信號為O (低於SPASER閾值)，SPASER保持在低態，不提供信號增益；如傳輸信號為I (高於SPASER閾值)，SPASER會在小於IOOfs (femtosecond,飛秒)時間內激發至高態,實現信號放大,其中I fs為千萬億分之一秒，即0.001皮秒，在I fs中光可以在真空內傳播0. 3微米，可見光的振蕩周期為I. 30到2. 57飛秒。本實施例中，所述基底I的材料為矽，金屬層2的材料為銀，沉積介質層3的材料為二氧化矽、增益介質6的材料為若丹明，飽和吸收體的材料為DODCI。實施例2
本實施例的一種表面等離子波信號放大器的結構如圖2所示，其基本結構與實施例I相同，本實施例與實施例I的區別在於，所述波導4的另一側壁上設置有支節結構8，所述支節結構8與所述增益槽相對，所述支節結構8用於增加等效SP腔的Q值。實施例3
本實施例的一種表面等離子波信號放大器的結構如圖3所示，其基本結構與實施例I相同，本實施例與實施例I的區別在於，所述金屬層2的頂面設置有諧振環耦合結構9，所述諧振環耦合結構9為圓環結構，由其尺寸決定的特定波長的等離子波可通過所述諧振環耦合結構9實現耦合，本實施例中該諧振環耦合結構9為圖示的環形金屬腔，處于波導與增益介質之間，實現兩者的耦合作用。本實施例的表面等離子波信號放大器主要用於對信號波模式要求較高的場合。實施例4
本實施例的一種表面等離子波信號放大器的製作方法如圖4所示，包括以下步驟步驟s401，在基底上濺射金屬層。本實施例中，採用等離子放電或電子束蒸發法在所述基底上濺射金屬層，所述基底的材料為矽，所述金屬層的材料為銀。步驟S402，在所述金屬層上刻蝕增益槽。本實施例中，刻蝕工藝採用幹法刻蝕，所述增益槽的寬度為1 1. 5 μ mo步驟s403，在所述增益槽內填充增益介質和飽和吸收體。本實施例中，採用甩膠法在所述增益槽內填充增益介質和飽和吸收體，所述增益介質的材料為若丹明，所述飽和吸收體的材料為DODCI。步驟S404，在所述金屬層上刻蝕貫通所述金屬層兩側的波導凹槽。本實施例中，刻蝕工藝採用電子束曝光法，所述波導凹槽的寬度為5(T90nm。步驟s405,在所述金屬層上沉積介質,形成沉積介質層。本實施例中,採用等離子輔助沉積法在所述金屬層上沉積介質，形成沉積介質層，所述沉積介質層的材料為二氧化
矽步驟s406，安裝泵浦光發射裝置，向所述增益介質發射泵浦光。在上述表面等離子波信號放大器的製作方法中，各步驟對應的產品的狀態圖如圖5所示。其中51為只有基底的狀態；52為在基底上濺射金屬層後的狀態；53為在所述金屬層上刻蝕增益槽後的狀態；54為在所述增益槽內填充增益介質和飽和吸收體後的狀態；55為在所述金屬層上刻蝕貫通所述金屬層兩側的波導凹槽後的狀態；56為在所述金屬層上沉積介質，形成沉積介質層後的狀態。本發明的SP波信號放大器是一種可集成的納光子學器件，能夠對SP波導傳輸的SP波實現超快信號放大，從而增加了 SP波的傳播長度。本發明實現了可集成的、具備亞皮秒響應時間、亞波長尺度的SP波數位訊號放大器。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種表面等離子波信號放大器，所述放大器包括基底(I)、金屬層(2)和沉積介質層(3)；所述金屬層(2)位於所述基底(I)和沉積介質層(3)之間，其頂面與所述沉積介質層(3)的底面連接，底面與所述基底(I)的頂面連接；所述金屬層(2)的頂面開有貫通兩側的波導凹槽，所述波導凹槽的寬度為5(T90nm ;所述沉積介質層(3)的底面設置有與所述波導凹槽對應的凸起，所述波導凹槽和凸起形成波導⑷;其特徵在於，所述波導(4)的側壁上開有增益槽，所述增益槽的寬度為Γ .5μπι，所述增益槽內填充有增益介質(6)和飽和吸收體(7)；所述放大器還包括泵浦光發射裝置(5 )，用於發射激發所述增益介質(6 )的泵浦光。
2.如權利要求I所述的表面等離子波信號放大器，其特徵在於，所述波導(4)的另一側壁上設置有支節結構(8 )，所述支節結構(8 )與所述增益槽相對。
3.如權利要求I所述的表面等離子波信號放大器，其特徵在於，所述金屬層(2)的頂面設置有諧振環耦合結構(9)，所述諧振環耦合結構(9)為圓環結構，由其尺寸決定的特定波長的等離子波可通過所述諧振環耦合結構(9)實現耦合。
4.如權利要求I至3任一項所述的表面等離子波信號放大器，其特徵在於，所述基底 (O的材料為矽，金屬層(2)的材料為銀，沉積介質層(3)的材料為二氧化矽、增益介質(6) 的材料為若丹明，飽和吸收體的材料為DODCI (二乙基氧雜二羰花青碘化物)。
5.一種表面等離子波信號放大器的製作方法，其特徵在於，所述方法包括以下步驟Α、在基底上濺射金屬層；B、在所述金屬層上刻蝕增益槽；C、在所述增益槽內填充增益介質和飽和吸收體；D、在所述金屬層上刻蝕貫通所述金屬層兩側的波導凹槽；Ε、在所述金屬層上沉積介質，形成沉積介質層；F、安裝泵浦光發射裝置，向所述增益介質發射泵浦光。
6.如權利要求5所述的表面等離子波信號放大器的製作方法，其特徵在於，在所述步驟A中，具體包括採用等離子放電或電子束蒸發法在所述基底上濺射金屬層，所述基底的材料為矽，所述金屬層的材料為銀。
7.如權利要求5所述的表面等離子波信號放大器的製作方法，其特徵在於，在所述步驟B中，刻蝕工藝採用幹法刻蝕，所述增益槽的寬度為f I. 5μπι。
8.如權利要求5所述的表面等離子波信號放大器的製作方法，其特徵在於，在所述步驟C中，具體包括採用甩膠法在所述增益槽內填充增益介質和飽和吸收體，所述增益介質的材料為若丹明，所述飽和吸收體的材料為DODCI。
9.如權利要求5所述的表面等離子波信號放大器的製作方法，其特徵在於，在所述步驟E中，具體包括採用等離子輔助沉積法在所述金屬層上沉積介質，形成沉積介質層，所述沉積介質層的材料為二氧化矽。
10.如權利要求5至9任一項所述的表面等離子波信號放大器的製作方法，其特徵在於，在所述步驟D中，刻蝕工藝採用電子束曝光法，所述波導凹槽的寬度為5(T90nm。
全文摘要
本發明公開了一種SP波信號放大器，包括基底、金屬層和沉積介質層；金屬層位於基底和沉積介質層之間，其頂面與沉積介質層的底面連接，底面與基底的頂面連接；金屬層的頂面開有貫通兩側的波導；波導的側壁上開有增益槽，增益槽的寬度為1~1.5μm，增益槽內填充有增益介質和飽和吸收體；放大器還包括泵浦光發射裝置，用於發射激發增益介質的泵浦光。本發明還公開了一種SP波信號放大器的製作方法。本發明能夠對SP波導傳輸的SP波實現超快信號放大，從而增加了SP波的傳播長度。
文檔編號H01S4/00GK102623887SQ201210064970
公開日2012年8月1日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者李志全 申請人:燕山大學