阅读说明：本技术 基于非对称金属光栅结构的spp耦合器及制作方法 (SPP coupler based on asymmetric metal grating structure and manufacturing method ) 是由 刘文杰 卓青霞 刘怡俊 于 2020-08-21 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器及制作方法,其SPP耦合器当入射光通过介质填充层后进入介质光栅层,通过设置非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构,从而使得入射光可以垂直射入衬底,激发SPP,无需倾斜入射激发,可大幅降低外置光路的复杂性；而介质光栅层具有若干个周期性的介质光栅,周期性的介质光栅结构可以实现较高的光耦合效率,且可以较好的将入射光限制于衬底内进行单向传播,从而可以提高光耦合效率与单向比,另外,本实施例的SPP耦合器结构简单,制作难度低,适于批量生产。(The application discloses an SPP coupler based on an asymmetric metal grating structure and a manufacturing method thereof, wherein the SPP coupler enters a medium grating layer after incident light passes through a medium filling layer, and the asymmetric metal grating structure is arranged to be an inverted L-shaped structure or a Z-shaped structure, so that the incident light can vertically enter a substrate to excite SPP, oblique incidence excitation is not needed, and the complexity of an external light path can be greatly reduced; the medium grating layer is provided with a plurality of periodic medium gratings, the periodic medium grating structure can realize higher optical coupling efficiency, and can better limit incident light in the substrate for one-way transmission, so that the optical coupling efficiency and the one-way ratio can be improved.)

基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器及制作方法

技术领域

本申请涉及耦合器技术领域，尤其涉及一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器以及相应的制作方法。

背景技术

表面等离激元(Surface Plasmon Polariton，SPP)是由外部电磁场诱导金属结构表面自由电子或束缚电子的集体振荡现象，它可以突破衍射极限制约，在纳米尺度下实现对光的调制以及增强光与物质的相互作用。表面等离激元能够把入射光局域在金属表面亚波长的区域，相对于传统的介质光波导器件而言，可以突破衍射极限的限制，从而进一步缩小器件尺寸。对于实现兼具纳米电子器件的极小特征尺寸和介质光学的超高传输速度具有至关重要的意义。

SPP单向耦合器是集成光路的重要元器件之一，受到研究者的重视。然而，如何设计金属微纳结构，从而将光能够高效地耦合至金属微纳结构，从而形成单向传输的SPP仍然目前存在的重要问题之一。另外，现有SPP耦合器结构通常制备工艺复杂，对设备条件要求高，成为制约其大规模应用的一个主要因素。因此，降低制作难度也是需要考虑的另一个重要问题。

发明内容

本申请提供了基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器及制作方法，用于解决现有的SPP单向耦合器的光耦合效率与SPP单向比较低以及相应的耦合器制作难度较高的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，由下至上依次设有衬底、介质光栅层、非对称金属光栅结构与介质填充层；

所述介质光栅层包括若干个等距排列的介质光栅；

所述非对称金属光栅结构部分覆盖所述介质光栅表面，所述非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构。

优选地，所述介质光栅的折射率为1.4～1.7，所述介质光栅的宽度为75～200nm，所述介质光栅的高度为75～300nm，所述介质光栅层的光栅周期为300～800nm。

优选地，所述介质光栅层的所述光栅周期为400-600nm。

优选地，所述介质填充层相对于所述非对称金属光栅结构表面以上的结构厚度为50-800nm。

优选地，所述非对称金属光栅结构的金属度大于50nm，所述非对称金属光栅结构的金属厚度为70～150nm。

另一方面，本申请实施例提供了一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法，包括以下步骤：

S101：在衬底上形成具有若干个等距排列的介质光栅的介质光栅层；

S102：在所述介质光栅层上形成非对称金属光栅结构，所述非对称金属光栅结构部分覆盖所述介质光栅表面，同时，所述非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构；

S103：在所述非对称金属光栅结构的所在空间填充介质并形成介质填充层，所述介质填充层覆盖所述非对称金属光栅结构与所述介质光栅层表面；

S104：对经所述步骤S103获得的样品通过刻蚀工艺刻蚀出耦合器的独立单元。

优选地，所述步骤S101中形成所述介质光栅层的制作方法采用下列三种方法的任意一种：

1)首先，在所述衬底的上表面通过旋涂方法形成光刻胶，然后，采用曝光与显影工艺形成具有所述光刻胶制成的所述介质光栅的介质光栅层；

2)首先，在所述衬底的上表面形成介质层，所述介质层采用SiO2、SiNx、ITO或AlN材料制成，然后，在所述介质层上通过旋涂方法形成光刻胶，并通过曝光、显影形成所述光刻胶制成的所述介质光栅，最后，通过干法刻蚀工艺形成所述介质光栅层；

3)首先，在所述衬底的上表面形成介质层，所述介质层采用SiO2、SiNx、ITO或AlN材料制成，然后，在所述介质层上通过旋涂方法形成光刻胶，并通过纳米压印工艺形成所述光刻胶制成的所述介质光栅，最后，通过干法刻蚀工艺形成所述介质光栅层。

优选地，所述步骤S102中采用倾斜蒸镀方法形成所述非对称金属光栅结构，具体包括：通过电子束坩埚发出电子束，并将经过所述步骤S101获得的样品以预设的倾斜角度相对所述电子束的出射方向倾斜设置，所述预设的倾斜角度可调，经过蒸镀后，所述介质光栅的表面上形成倒“L”或“Z”字型结构的非对称金属光栅结构。

优选地，所述预设的倾斜角度为30°～60°。

优选地，所述步骤S103中形成所述介质填充层的具体步骤包括：通过旋涂方法在所述非对称金属光栅结构与所述介质光栅层表面上形成表面平整的所述介质填充层，其中，旋涂的转速为4000～10000转/分钟，旋涂的次数为3～5次，所述介质填充层的介质为氢倍半硅氧烷。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，当入射光通过介质填充层后进入介质光栅层，通过设置非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构，从而使得入射光可以垂直射入衬底，激发SPP，无需倾斜入射激发，可大幅降低外置光路的复杂性；而介质光栅层具有若干个周期性的介质光栅，周期性的介质光栅结构可以实现较高的光耦合效率，且可以较好的将入射光限制于衬底内进行单向传播，从而可以提高光耦合效率与单向比，另外，本实施例的SPP耦合器结构简单，制作难度低，适于批量生产。

本申请另一实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法简单易行，降低了制作难度，适用于大批量生产制造，同时，生产后的SPP耦合器与上述实施例的基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的有益效果一致。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一中步骤S301的样品截面图；

图3为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一中步骤S302的样品截面图；

图4为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一中步骤S303进行蒸镀的示意图；

图5为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一中步骤S303的样品截面图；

图6为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一中步骤S303的样品俯视图；

图7为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例一的样品的SPP能流分布图；

图8为本申请实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的示例二的样品截面图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，其由下至上依次设有衬底、介质光栅层、非对称金属光栅结构与介质填充层；

介质光栅层包括若干个等距排列的介质光栅；

非对称金属光栅结构部分覆盖介质光栅表面，非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构。

在本实施例中，当入射光通过介质填充层后进入介质光栅层，通过设置非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构，从而使得入射光可以垂直射入衬底，激发SPP，无需倾斜入射激发，可大幅降低外置光路的复杂性；而介质光栅层具有若干个周期性的介质光栅，周期性的介质光栅结构可以实现较高的光耦合效率，且可以较好的将入射光限制于衬底内进行单向传播，从而可以提高光耦合效率与单向比，另外，本实施例的SPP耦合器结构简单，制作难度低，适于批量生产。

以上为本申请提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的一个实施例，以下为本申请提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的另一个实施例。

本实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器，其由下至上依次设有衬底、介质光栅层、非对称金属光栅结构与介质填充层；

介质光栅层包括若干个等距排列的介质光栅；

非对称金属光栅结构部分覆盖介质光栅表面，非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构。

进一步地，介质光栅的折射率为1.4～1.7，介质光栅的宽度为75～200nm，介质光栅的高度为75～300nm，介质光栅层的光栅周期为300～800nm。

进一步地，介质光栅层的光栅周期为400-600nm。

进一步地，介质填充层可以起到波导与提高耦合效率的作用，通过限定介质填充层的厚度来限定入射光的单向耦合效率与单向比，调控SPP的传播方向，在本实施例中，介质填充层相对于非对称金属光栅结构表面以上的结构厚度为50-800nm。

进一步地，衬底可以为石英、云母、PDMS、蓝宝石或其它波长在300-1600nm范围内的具有高透射率的材料。

进一步地，介质光栅的介质材料可以采用光刻胶、SiO2、SiNx、ITO或AlN。

进一步地，非对称金属光栅结构的金属度大于50nm，非对称金属光栅结构的金属厚度为70～150nm。

以上为本申请提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的另一个实施例，以下为本申请提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的一个实施例。

为了方便理解，请参阅图1，本实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法，包括以下步骤：

S101：在衬底上形成具有若干个等距排列的介质光栅的介质光栅层；

需要说明的是，衬底可以为石英、云母、PDMS、蓝宝石或其它波长在300-1600nm范围内的具有高透射率的材料；同时，介质光栅材料可以采用光刻胶、SiO2、SiNx、ITO或AlN等。

S102：在介质光栅层上形成非对称金属光栅结构，非对称金属光栅结构部分覆盖介质光栅表面，同时，非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构；

S103：在非对称金属光栅结构的所在空间填充介质并形成介质填充层，介质填充层覆盖非对称金属光栅结构与介质光栅层表面；

S104：对经步骤S103获得的样品通过刻蚀工艺刻蚀出耦合器的独立单元。

需要说明的是，步骤S104也可以在步骤S101或步骤S102后完成。

本实施例提供的制作方法简单易行，降低了制作难度，适用于大批量生产制造。

以上为本申请提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法一个实施例，以下为本申请提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法的另一个实施例。

本实施例提供的一种基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器的制作方法，包括以下步骤：

S201：在衬底上形成具有若干个等距排列的介质光栅的介质光栅层；

需要说明的是，衬底可以为石英、云母、PDMS、蓝宝石或其它波长在300-1600nm范围内的具有高透射率的材料；同时，介质光栅材料可以采用光刻胶、SiO2、SiNx、ITO或AlN等。

S202：在介质光栅层上形成非对称金属光栅结构，非对称金属光栅结构部分覆盖介质光栅表面，同时，非对称金属光栅结构为倒“L”字型结构或“Z”字型结构；

S203：在非对称金属光栅结构的所在空间填充介质并形成介质填充层，介质填充层覆盖非对称金属光栅结构与介质光栅层表面；

S204：对经步骤S203获得的样品通过刻蚀工艺刻蚀出耦合器的独立单元。

进一步地，步骤S201中形成介质光栅层的制作方法采用下列三种方法的任意一种：

1)首先，在衬底的上表面通过旋涂方法形成光刻胶，然后，采用曝光与显影工艺形成具有光刻胶制成的介质光栅的介质光栅层；

2)首先，在衬底的上表面形成介质层，介质层采用SiO2、SiNx、ITO或AlN材料制成，然后，在介质层上通过旋涂方法形成光刻胶，并通过曝光、显影形成光刻胶制成的介质光栅，最后，通过干法刻蚀工艺形成介质光栅层；

3)首先，在衬底的上表面形成介质层，介质层采用SiO2、SiNx、ITO或AlN材料制成，然后，在介质层上通过旋涂方法形成光刻胶，并通过纳米压印工艺形成光刻胶制成的介质光栅，最后，通过干法刻蚀工艺形成介质光栅层。

进一步地，步骤S202中采用倾斜蒸镀方法形成非对称金属光栅结构，具体包括：通过电子束坩埚发出电子束，并将经过步骤S201获得的样品以预设的倾斜角度相对电子束的出射方向倾斜设置，预设的倾斜角度可调，经过蒸镀后，介质光栅的表面上形成倒“L”或“Z”字型结构的非对称金属光栅结构。

需要说明的是，根据光栅的周期和占空比，来调整倾斜角度，优选，预设的倾斜角度为30°～60°。

进一步地，步骤S203中形成介质填充层的具体步骤包括：通过旋涂方法在非对称金属光栅结构与介质光栅层表面上形成表面平整的介质填充层，其中，旋涂的转速为4000～10000转/分钟，旋涂的次数为3～5次，介质填充层的介质为氢倍半硅氧烷。

需要说明的是，采用旋涂方法制备介质填充层，使得工艺简单且工艺兼容性较高。

以下为本实施例中的基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器中关于介质光栅与非对称金属光栅结构的制作方法的部分实施示例。

示例一

本示例提供的基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器中关于介质光栅与非对称金属光栅结构的制作方法，包括以下步骤：

S301：参见图2，在石英衬底11表面通过旋涂方法形成光刻胶12并烘干，其中，光刻胶的厚度为200nm；

S302：参见图3，通过双光束干涉曝光和显影，形成具有光刻胶制成的介质光栅21得介质光栅层。其中，光栅周期为550nm，介质光栅的宽度为200nm；

S303：参见图4，采用电子束坩埚2发出电子束进行蒸镀，箭头方向为电子束方向，将样品固定于倾斜固定装置31上，并将样品与电子束传输方向以一定倾斜角度相对设置，同时，介质光栅层朝电子束方向设置，同时，倾斜固定装置31的角度连续可调，蒸镀时，可根据非对称金属光栅结构41的厚度变化，通过外置遥控装置随时调整倾斜固定装置51的角度，如图5与图6所示，在介质光栅层上形成倒“L”结构的非对称金属光栅结构41，覆盖介质光栅21的一部分，其中，非对称金属光栅结构41的金属层厚度为200nm。

最后，按照上述步骤设计的结构，在工作时，由外置光源(例如单波长激光)垂直入射至结构表面，由“L”型的非对称金属光栅结构将外界光转化为SPP并耦合至衬底中传输，而不需倾斜入射激发，大幅降低了外置光路的复杂性。

另外，对上述步骤形成的耦合器的单向传输效果进行模拟，其中，耦合器对应的谐振波长为810nm，光垂直入射至耦合器表面。参见图7所示为周期性介质光栅结构(由于是周期结构，所以图7表示其中一个周期介质光栅结构)在入射光波长为810nm时，SPP的能流分布情况，其中图中右侧标尺表示SPP在x方向的能流强度，由图7可以看出，SPP主要分布于衬底表面约300nm范围内，且沿着x负方向传播。这相对于普通非周期性对称光栅在外界光入射后，其能流沿两个方向传播是不同的。即该本示例中的周期性介质光栅结构达到了SPP单向传输的效果，且可以较好地限制于衬底内约300nm的范围内进行单向传播。另外，在后续SPP信号提取时，只需在特定的位置打破传输条件即可，例如通过在衬底表面刻蚀槽结构，使得SPP通过散射光出射。

示例二

为了方便理解，请参见图8，本示例提供的基于非对称金属光栅结构的SPP耦合器中关于介质光栅与非对称金属光栅结构的制作方法，包括以下步骤：

S401：在石英衬底61上磁控溅射形成SiO2介质层，SiO2介质层的厚度为75nm；

S402：在SiO2介质层上通过旋涂方法形成PMMA，PMMA的厚度为100nm；

S403：通过纳米压印的方法形成PMMA的介质光栅，然后利用PMMA作为掩模，通过ICP刻蚀形成具有SiO2材料制成的介质光栅62的介质光栅层；

S404：如采用倾斜蒸镀方法，在介质光栅62上形成“Z”字型的非对称金属光栅结构63，其中，非对称金属光栅结构63的金属层厚度为75nm。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。