基于實(shí)驗(yàn)室管理的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特性分析

李冰晶， 黃宏潮

(海南熱帶海洋學(xué)院， 海南 三亞 572002)

基于實(shí)驗(yàn)室管理的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及特性分析

李冰晶， 黃宏潮

(海南熱帶海洋學(xué)院， 海南 三亞 572002)

為了實(shí)現(xiàn)表面等離子器件的光電集成應(yīng)用，采用典型的金屬-介質(zhì)-金屬中刻蝕2條緊鄰的縫隙結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種新型的定向耦合器。分析本征模式的波導(dǎo)方程、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與時(shí)間關(guān)系，得到了定向耦合器的耦合條件。耦合器特性分別表明：設(shè)計(jì)的縫隙結(jié)構(gòu)表面等離子能夠通過(guò)縫隙1向縫隙2滲透，可以實(shí)現(xiàn)表面等離子在縫隙間的周期性傳播，表面等離子傳播在2 μm左右；耦合距離與縫隙大小表現(xiàn)為線性的關(guān)系，當(dāng)縫隙大小小于100 nm時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的耦合效率、更短的耦合距離；設(shè)計(jì)的定向耦合器可以通過(guò)減小縫隙大小提高表面等離子傳播的耦合效果。

定向耦合器； 縫隙結(jié)構(gòu)； 耦合距離； 耦合效果

表面等離子體激元(surface plasmon polariton,SPP)是由于金屬微結(jié)構(gòu)發(fā)生變化而產(chǎn)生的電磁模式,其在金屬-介質(zhì)交界面上傳播,且在不受衍射極限限制情況下傳播光能量[1-3]。上述特性能夠使SPP光電器件在光通信、光計(jì)算等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用,較為典型的代表性器件就是MgF2層銀膜中增加CdS納米線結(jié)構(gòu),其光源設(shè)計(jì)為15 nm的SiO2球包裹14 nm金核,周圍密度為6.25×1019cm-3染料分子,得到了輸出光譜峰值在530 nm附近,輸出光強(qiáng)表現(xiàn)為激光特性[4-6]。還有典型的就是近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡下設(shè)計(jì)的V形SPP波導(dǎo),實(shí)現(xiàn)了波分復(fù)用、Bragg光柵濾波等作用。然而盡管研究人員實(shí)現(xiàn)了將光場(chǎng)約束到幾十納米的量級(jí),但設(shè)計(jì)的波導(dǎo)器件損耗依然很大[7-9]。目前SPP波導(dǎo)器件面臨的主要困難,在于由于歐姆效應(yīng)導(dǎo)致的強(qiáng)烈衰減,550 nm的可見(jiàn)光在理想單一界面中傳輸距離僅僅有2 μm左右,這顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)光子器件的應(yīng)用[10-13]。為了能夠?qū)崿F(xiàn)SPP器件的應(yīng)用就需要使耦合長(zhǎng)度盡可能的短,設(shè)計(jì)SPP波導(dǎo)的耦合器就較為重要。基于上述背景,課題組設(shè)計(jì)一種新型的微波SPP波導(dǎo)的定向耦合器,為實(shí)現(xiàn)SPP器件的光電集成提供了新的參考。

1 定向耦合器的模型和傳輸分析

圖1 波導(dǎo)定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖

圖1是本次設(shè)計(jì)的SPP波導(dǎo)的定向耦合器結(jié)構(gòu),在典型的金屬-介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)中刻蝕2條緊鄰的縫隙,2條縫隙是相互平行且大小相同。前人研究表明,這樣的結(jié)構(gòu)就能夠?qū)崿F(xiàn)定向耦合。需要描述這一定向耦合的過(guò)程,就需要分析金屬-介質(zhì)的SPP本征模式的波導(dǎo)方程。波導(dǎo)方程如下：

Θ(r)φn(r)=sn2φn(r)

(1)

式(1)中,s表述的是本征值,n為模式系數(shù),Θ(r)則是

材料的特征值函數(shù)。

表面等離子的頻率ωn,能夠通過(guò)Re[s(ωn))〗=sn得到,而頻域函數(shù)s(ω)=εd/[εd-εm(ω)]就是Bergman的譜參數(shù),εd則為介質(zhì)的介電常數(shù),εm則為金屬的介電常數(shù)。為了明確耦合條件,采用SPP的量子數(shù)Np=|a0n|2確定,其中反轉(zhuǎn)粒子數(shù)an的經(jīng)典關(guān)系為an=a0nexp(-iωt),這樣分析耦合的粒子數(shù)與時(shí)間關(guān)系有耦合條件為

(2)

2 耦合特性分析

先對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合電磁場(chǎng)分析,設(shè)采用的介質(zhì)的折射率為1.5,入射光波長(zhǎng)為650nm,金屬采用金,此波長(zhǎng)條件下金的有效折射率為0.154+3.812i。設(shè)計(jì)采用的金屬厚度對(duì)稱，都為200nm。對(duì)稱縫隙寬度60nm,縫隙之間間隔70nm。圖2給出了縫隙的電場(chǎng)分布圖,從圖中可以看出,在Ex場(chǎng)表現(xiàn)對(duì)稱分布形式,Ey場(chǎng)表現(xiàn)為反對(duì)稱分布形式。

圖2 縫隙電場(chǎng)分布

進(jìn)一步分析耦合傳播效果,電場(chǎng)傳播情況見(jiàn)圖3。分析傳播結(jié)果可以認(rèn)定SPP通過(guò)縫隙1向縫隙滲透,能夠?qū)崿F(xiàn)SPP在縫隙直接周期性傳播。且從圖中灰暗程度可以看出,隨著SPP傳播距離的增加電場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)有明顯的減弱,SPP傳播只有2 μm左右,這也進(jìn)一步告訴我們?cè)O(shè)計(jì)定向耦合器需要盡量短。

3 結(jié)構(gòu)特性分析

3.1 縫隙大小對(duì)耦合效果影響

討論縫隙大小對(duì)耦合效果的影響。圖4為耦合長(zhǎng)度Lc隨縫隙大小H之間關(guān)系,從圖中可知,在一定范圍內(nèi)耦合距離與縫隙大小表現(xiàn)為線性的關(guān)系。如果將縫隙大小小于100 nm,即小于金屬層厚度時(shí),能夠?qū)崿F(xiàn)更高的耦合效率和更短的耦合距離。

圖3 縫隙傳播過(guò)程

圖4 縫隙大小與耦合效果分析

圖5分析了縫隙大小100 nm時(shí)的能流分布,從圖中分布可以看出，耦合器的能流大部分集中在與金屬條間隔較近的區(qū)域,這樣能夠提高SPP傳播的瞬時(shí)場(chǎng),增強(qiáng)耦合效果。

圖5 縫隙大小100nm時(shí)的能流分布

3.2 縫隙間隔的影響分析

通過(guò)以上分析可以知道，設(shè)計(jì)的耦合器SPP能量沿著兩縫隙之間導(dǎo)波,即當(dāng)縫隙1能量不斷降低時(shí),縫隙2的能量將會(huì)相應(yīng)的增加。前期研究發(fā)現(xiàn),因?yàn)镾PP波導(dǎo)損耗的影響,當(dāng)縫隙2能量達(dá)到最大值時(shí),縫隙1能量在此之前已經(jīng)減小到最小值,存在一定的相移。為了明確能量功率的特點(diǎn),圖6給出了歸一化后的能量最大值轉(zhuǎn)移Pmax與縫隙間隔h之間的關(guān)系。從圖中趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，歸一化后的能量最大值轉(zhuǎn)移與縫隙間隔存在負(fù)線性的關(guān)系,即縫隙間隔越小,耦合轉(zhuǎn)移能量的相移越大。上述結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的定向耦合器可以通過(guò)減小縫隙間隔提高SPP傳播的耦合效果,反之會(huì)降低耦合效果。

圖6 歸一化后的能量最大值轉(zhuǎn)移與縫隙間隔之間的關(guān)系

4 小結(jié)

文中設(shè)計(jì)了一種新型微波定向耦合器,分析了縫隙大小、縫隙間隔對(duì)傳播過(guò)程的電場(chǎng)和能流分布影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)減小縫隙間隔和縫隙大小都能提高耦合效果,但電場(chǎng)分布結(jié)果表明耦合長(zhǎng)度不能設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)。研究結(jié)果為SPP耦合器應(yīng)用提供了模型和參數(shù)依據(jù),為實(shí)現(xiàn)SPP波導(dǎo)的光電集成提供了新方法。

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DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.014

Design of microstructure and its characteristic analysis based on laboratory management

Li Bingjing， Wang Hongchao

(College of Hainan Tropical Oceans, Sanya 572002, China)

In order to realize the photoelectric integrated application of the surface plasma device, and by etching 2 adjacent slot structures in the typical metal-medium-metal, a new type of directional coupler is designed. By analyzing the relationship between the waveguide equation and the inversion particle number of the intrinsic mode and time, the coupling conditions of the directional coupler are obtained. The coupler features respectively show that the plasma on the designed gap structure surface can penetrate through the gap 1 to the gap 2, and can realize the periodic propagation of the surface plasma in the gap. The surface plasma propagation is about 2 μm. The coupling distance and aperture size show the linear relationship. When the designed gap is less than 100nm, a higher coupling efficiency and a shorter coupling distance can be realized. The designed directional coupler can improve the coupling effect of the surface plasma propagation by reducing the gap between the slots.

directional coupler; gap structure; coupling distance; coupling effect

10.16791/j.cnki.sjg.2017.04.013

2016-09-28

2014年海南省高等學(xué)校科學(xué)研究項(xiàng)目(HNKY2014—2015)；2016年海南省社會(huì)科學(xué)項(xiàng)目(HNSK(YB))；2016年海南省社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(HNSK(YB))；2016年海南省社會(huì)科學(xué)研究(HNSK(YB))

李冰晶(1983—)，女，海南儋州，碩士，實(shí)驗(yàn)師.

E-mail：Lyan987025@163.com

TN22

A

1002-4956(2017)4-0047-04