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1、10申请公布号CN104133269A43申请公布日20141105CN104133269A21申请号201410380660722申请日20140804G02B6/12220060171申请人河海大学常州校区地址213022江苏省常州市晋陵北路200号72发明人殷澄姚澄单鸣雷高远韩庆邦朱昌平74专利代理机构南京纵横知识产权代理有限公司32224代理人董建林54发明名称基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构57摘要本发明公开了基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其中，第一至第三种结构是自由空间耦合结构，第四种结构是端面耦合结构。上述四种结构，均无需使用高折射率棱镜耦合，更利于光学元件的。
2、集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。结构简单，在不使用高折射率棱镜的情况下，SPPS很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图5页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图5页10申请公布号CN104133269ACN104133269A1/1页21基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是金属的金属膜层2，所述金属膜层2底部设置有超材料层3，所述超材料层3的介电系数2根据权利要求1所述的基于超材料的表面波的激发和长距离传输。
3、结构，其特征在于，所述超材料层3底部设置有玻璃衬底层4。3根据权利要求1所述的基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，所述金属膜层2是金膜层或银膜层。4基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是基板的金属基板层6，所述金属基板层6顶部设置有超材料层3，所述超材料层3的介电系数5基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括相连的上下两层结构，其中顶层是介电系数为金属的金属膜层2，底层的一端是超材料层3，所述超材料层3的介电系数所述超材料层3的端部和金属膜层2一端对齐且超材料层3的长度小于金属膜层2的长度。6根据权利要求5所述的基于超材料的表面。
4、波的激发和长距离传输结构，其特征在于，所述底层的另一端是与超材料层3相连的石英玻璃层5，所述石英玻璃层5的长度等于金属膜层2和超材料层3的长度之差。7根据权利要求5所述的基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，所述底层的另一端是空气构成的空隙7。8根据权利要求57任意一项所述的基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，所述金属膜层2是金层或银层。权利要求书CN104133269A1/5页3基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构技术领域0001本发明涉及基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构。背景技术0002表面等离子体SURFACEPLASMONS是一种电磁表面波。
5、，它在表面处场强最大，在垂直于界面方向是指数衰减场，它能够被电子也能被光波激发。由于在一般情况下对于连续的金属介质界面，表面等离子体波的波矢量大于光波的波矢量，所以不可能直接用光波激发出沿界面传播的表面等离子体波PROPAGATINGSURFACEPLASMON。0003为了激励表面等离子体波，需要引入一些特殊的结构达到波矢匹配，常用的有两种一种是KRETSCHMANN结构，即金属薄膜直接镀在棱镜面上，入射光在金属棱镜界面处会发生全反射，全反射的消逝波又称表面波可能实现与表面等离子体波的波矢量匹配，光的能量便能有效的传递给表面等离子体，从而激发出表面等离子体波。另一种是OTTO结构，即具有高折。
6、射率的棱镜和金属之间存在狭缝，狭缝的宽度比较小，大约几十到几百个纳米。0004可见上述两种结构都需要使用高折射率的棱镜来激发表面等离子体。目前在平坦的金属表面激发表面等离子体波必须借助于棱镜或者光栅耦合的方式，这在一定程度上限制了相关SPP器件SPPSURFACEPLASMONPOLARITONS，表面等离子体激元的小型化、微型化。如果不使用棱镜或者光栅，则更利于光学元件的集成，甚至集成在一块芯片中。0005另外，传统的SPPS表面等离子体激元或者表面等离子体波的缩写的传输距离很短，在可见光波段的传播长度在10100UM之间，无法达到光学元件中对光传播距离的要求。发明内容0006针对上述问题，。
7、本发明提供基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，在不使用高折射率棱镜的情况下，表面等离子体激元很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。0007为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明可以通过以下四种技术方案实现，分别如下0008第一种结构基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是金属的金属膜层，所述金属膜层底部设置有超材料层，所述超材料层的介电系数0009第二种结构在第一种结构的基础上，在超材料层底部设置有玻璃衬底层。0010第三种结构基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括介电系数是基板的金属。
8、基板层，所述金属基板层顶部设置有超材料层，所述超材料层的介电说明书CN104133269A2/5页4系数0011第四种结构基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，其特征在于，包括相连的上下两层结构，其中顶层是介电系数为金属的金属膜层，底层的一端是超材料层，所述超材料层的介电系数所述超材料层的端部和金属膜层一端对齐且超材料层的长度小于金属膜层的长度。0012其中，第一至第三种结构是自由空间耦合结构，第四种结构是端面耦合结构。上述四种结构，均无需使用高折射率棱镜耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。0013本发明的有益效果是结构简单，在不使用高折射率棱。
9、镜的情况下，表面等离子体激元很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播距离可达到毫米量级，可广泛用于光学元件中。附图说明0014图1是金属和介质的界面上激发表面等离子体波的相关物理量的示意图；0015图2是本发明用于长距离传播光的装置的三种结构示意图；0016图3是金属膜层厚度对表面波耦合深度的影响的示意图；0017图4是超材料的介电系数的虚部对表面波耦合的影响的示意图；0018图5是图2中第1种结构超材料介电系数的不同的虚部对表面波耦合深度的影响的示意图；0019图6是图2中第2种结构超材料的厚度对表面波耦合深度的影响的示意图；0020图7是SPPS的传播距离的示意图；0021图8是本发。
10、明用于长距离传播光的装置的第四种结构示意图；0022附图的标记含义如下00231空气；2金属膜层；3超材料层；4玻璃衬底层；5石英玻璃层；6金属基板层；7空隙。具体实施方式0024下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。0025图1是金属和介质的界面上激发表面等离子体波下文简称表面波的相关物理量的示意图，而表面波的色散关系由下面这个公式给出00260027式中1是金属的介电系数，2是介质的介电系数，是表面等离子波的传播常数，是频率，C是光速。图1中，是金属中的波矢，是介质中的波矢，是金。
11、属中的说明书CN104133269A3/5页5横向波矢，是介质中的横向波矢。0028通过分析可以发现，当条件满足时，存在传播常数为实数，且此时无法从空气1中直接使用激光来激发表面等离子体，而需要借助高折射率棱镜。0029但是，如果介质的介电系数的时候，会发现即可以在自由空间中直接激发金属和这种介质界面上的表面波，而不需要棱镜，这就是本专利设想的理论基础。0030自然界中的非金属材料的介电系数的实部都是大于1的，因此空气1是自然界中介电系数最小的非金属材料了。根据SPW金属表面等离子体波的激发条件，无法利用激光在空气1自由空间中直接照射在金属表面的方式来激发表面等离子体波。但是随着超材料指一些具。
12、有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料的出现，迄今发展出的“超材料”包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。“左手材料”是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统对电磁波的传播形成负的折射率。近一两年来“左手材料”引起了学术界的广泛关注，曾被美国科学杂志评为2003年的“年度十大科学突破“之一。目前可以通过多种工艺获得介电系数的超材料，比如光刻、离子注入、化学方法的自组装等等。0031本发明共有四种结构可以在光学元件中用于长距离传播表面波，其中三种是自由空间耦合结构可以从自由空间中比如空气1中直接将一束激光耦合进金属表面等离子体中进行传输，一种是端面。
13、耦合结构。三种自由空间耦合结构见图2所示，每一列的上部分是装置的结构，下部分是对应的仿真结果，需说明的是，由于金属膜层2的厚度才几十纳米，超薄，因此在结构示意图中可以画出来，但仿真是真实的比例，因此仿真图中未显示金属膜层2。0032第1种结构，基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，包括介电系数是金属的金属膜层2，所述金属膜层2底部设置有超材料层3，所述超材料层3的介电系数这是基本结构，此种结构超材料层3的厚度比较厚，因此价格比较昂贵，因此可以采用第2种结构，即在第1种结构的基础上，在超材料层3底部设置有玻璃衬底层4，也就是，在玻璃衬底层4上做很薄的一层超材料层3，然后再镀金属膜层2，比如金。
14、膜或银膜，这样超材料层3比第1种结构的薄，可以节约成本。0033第3种结构，基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，包括介电系数是基板的金属基板层6，所述金属基板层6顶部设置有超材料层3，所述超材料层3的介电系数即在金属基板层6的表面不是金属膜镀一层薄的超材料层3。0034图2中下面对应的仿真结果表面，激光在空气1自由空间中直接照射在金属表说明书CN104133269A4/5页6面，三种结构都可以激发SPP，并且是在自由空间中激发的，不需要任何的棱镜或者光栅耦合结构。这里只用到了镀膜的平面工艺，因此可以在以后设计全光芯片。0035其中，不同的参数对模式耦合具有不同的影响。0036图3中通过仿。
15、真，显示了金属膜层2厚度对表面波耦合深度的影响，仿真的其它参数为激光波长780NM，金属膜的介电系数2015I，超材料的介电系数超材料05。图6是本发明第2种结构的仿真图，其中，仿真的光波长为650NM，金属膜层2采用银膜层，银的介电系数为196047I，银膜层厚度为45NM，超材料的介电系数为05，玻璃衬底层4的介电系数为225，这时候改变超材料层3薄膜P的厚度，SPPS的耦合深度也会发生变化，如图6所示，这个超材料层3膜厚P必须超过一定的深度约15UM，耦合深度才深。0037图4是超材料的介电系数的虚部对表面波耦合的影响，仿真的其它参数为激光波长780NM，金属膜介电系数2015I，超材料。
16、的介电系数实部超材料,实部05，金属膜层2的厚度为35NM。由图4可知，超材料的介电系数虚部应该比较小，才可以获得比较深的耦合深度。图5是本发明第1种结构的仿真图，其中，仿真的光波长为650NM，金属膜层2采用银膜层，银的介电系数为196047I，银膜层厚度为45NM，超材料的介电系数的实部为05，图中的不同曲线对应了超材料介电系数的不同的虚部，这幅图可以看到，超材料的虚部必须很小，当虚部为005时，基本已经没有吸收峰了。0038图7仿真了SPPS的传播距离，没有使用超材料的SPPS在可见光波段的传播长度在10100UM之间，而超材料支持的超高阶导模的传播长度很容易达到毫米量级，在一个光学芯片。
17、中，已经足够了。0039上述三种结构均是自由空间耦合结构，在金属和材料的表面直接激发表面波，这种技术避免了使用高折射率的棱镜，或者在金属表面加工光栅，而下述的第四种结构则是端面耦合结构，即从侧面即端面直接把光打进SPPS中。0040如图8所示，基于超材料的表面波的激发和长距离传输结构，包括相连的上下两层结构，其中顶层是介电系数为金属的金属膜层2，优选金属膜层2是金层或银层。底层的一端即图中的左端是超材料层3，所述超材料层3的介电系数所述超材料层3的端部和金属膜层2一端对齐且超材料层3的长度小于金属膜层2的长度。0041底层的另一端可以设置成任意的器件，只要接上就可以把光传输出去，图8中，采用长。
18、度为8M、厚度为1M的银层，而超材料层3的长度为5M、厚度为3M，上部分的结构中，底层的另一端即右端是空气1构成的空隙7，长度是3M、厚度也是3M；下部分的结构中，底层的另一端即右端是石英玻璃层5，其长度是3M、厚度也是3M。直接从最左端的空气1把激光打进SPPS中，图的右边说明这种超材料支撑的SPPS可以顺利的转入其它材料支撑的SPPS中，上面一副图是转到空气1中，下面一幅图转到了石英玻璃中，但下面一幅图有一部分的光泄露了见箭头部分所示，因此考虑到成本、重量、效果等因素，优选底层的另一端即右端是空气1构成的空隙7。0042在未来，光子芯片必然会取代目前的电子芯片的，而光子芯片中需要使用“导线。
19、”在这些元件之中传输能量，而上述四种结构可以作为“导线”使用，结构简单，在不使用高折射率棱镜的情况下，表面等离子体激元很容易耦合，更利于光学元件的集成，同时光的传播说明书CN104133269A5/5页7距离可达到毫米量级，可以真正实现在一个光学芯片上集成各种光子器件，以及它们之间的能量传输，可广泛用于光学元件中。0043以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或者直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。说明书CN104133269A1/5页8图1图2说明书附图CN104133269A2/5页9图3说明书附图CN104133269A3/5页10图4图5说明书附图CN104133269A104/5页11图6图7说明书附图CN104133269A115/5页12图8说明书附图CN104133269A12。