CN100403076C - 一种基于金属微纳米结构的光学分束器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种基于金属微纳米结构的光学分束器及其制造方法，涉及一种光学分束器，提供一种基于金属微纳米结构的光学分束器及制法。设有衬底，衬底上淀积金属薄膜，薄膜上设有至少2条宽度不同且平行的纳米缝隙，纳米缝隙正上方设金属柱，金属柱与金属薄膜间设支撑件。制造时在衬底上制备金属薄膜；用聚焦离子束刻蚀加工法，或在薄膜上涂电子束曝光胶后曝光，显影去掉被曝光的胶，以曝光胶为掩膜版制成纳米缝隙；在纳米缝隙上方制备金属柱：将金属柱制作为悬梁，两端设支撑件，或设在薄膜上方淀积作为支撑物的材料，在此材料上用电子束光刻与反应离子刻蚀或化学腐蚀的方法形成槽，在槽中淀积金属柱所用的材料，将支撑件材料腐蚀掉；制备支撑件。

Description

一种基于金属微纳米结构的光学分束器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种光学分束器，尤其是涉及一种基于金属微纳米结构的光学分束器及其制造方法。

背景技术

长期以来人们致力于将光学***集成化和微型化，并使其具有更强大的信息处理能力和容量。无论是对于平面光路为特征的光电集成***还是以立体式微光学元件为特征的微光学***，或者是这两种***的结合，集成器件间光波能量的耦合都是一个很重要的课题。而要实现高效率的耦合就需要各种可以匹配的光束形状转换器件。随着集成光学***的进一步微型化，对于传统的基于绝缘介质的微光学器件(如各种微透镜)，缩小其尺寸总是受到只具有寻常介电常数材料的限制以及衍射效应和微光腔谐振效应的影响(参见文献：1.J.B.Pendry，Phys.Rev.Lett.2000，85：3966；2.V.B.Braginsky and V.S.Ilchenko，Sov.Phys.Dokl.1987，32：36；3.J.Kofler and N.Arnold，Phys.Rev.B 2006，73：235401)。为此，Sun(本申请发明人)等近来提出了一种新型的基于金属微纳米结构的光学透镜(参见文献：1.Z.Sun，and H.K.Kim，Appl.Phys.Lett.2004，85：642：2.H.K.Kim，Z.Sun and C.C.Capelli，Patent publication No.#US2005/0161589Al，filed on Dec.2，2004.)以实现如聚焦和准直的光束成形功能，此类器件的横向尺寸可小于10微米。目前利用传统绝缘介质制作的微光学元件，其横向尺寸至少都在几十微米以上(参见文献：H.P.赫尔齐克主编，周海宪等译，微光学元件、***和应用，北京：国防工业出版社，2002)。本发明提出的是基于金属微纳米结构的新型光学透镜，它可以实现另外一种功能-光波分束。至今未见有任何其它透射式光学器件可以使其横向尺寸小于10微米，而且可以实现光波的分束。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的基于绝缘介质材料的微光学元器件尺寸至少都在几十微米，要缩小其尺寸总是受到只具有寻常介电常数材料的限制以及衍射效应和微光腔谐振效应的影响分束功能的问题，提供一种基于金属微纳米结构的光学分束器及其制造方法。

本发明的技术方案是通过在金属薄膜上形成若干宽度不同的纳米缝隙结构来实现透射光束转向和聚焦的功能，并在上述纳米缝隙结构的近距范围内引入适当的微纳米金属结构(柱形或三角形截面等)，以便实现透射光的分束效应，也可以在一定条件下将透射光高效率地耦合到金属薄膜表面形成表面等离子体波。

本发明设有衬底，在衬底上淀积有一层金属薄膜，在金属薄膜上设有至少2条宽度不同且相互平行的纳米缝隙，在纳米缝隙的正上方设有金属柱，金属柱与金属薄膜之间设有支撑件。

所述的衬底为绝缘介质衬底或半导体材料衬底，最好选自光学玻璃、石英、对光波低吸收的半导体材料等，所述的对光波低吸收的半导体材料是指要求光波的光子能量小于半导体材料的禁带宽度的半导体材料。衬底材料的形状为薄膜或薄板，根据应用***具体情况确定。衬底其大小应大于光学分束器的平面尺寸大小，其厚度可以小于半波长，或远大于波长(如100微米)。如果厚度只是波长的若干倍，衬底内光波的高次干涉将影响器件的作用。

所述的纳米缝隙的宽度为1～200纳米，纳米缝隙之间的距离、金属薄膜与金属柱之间的距离、金属柱的直径在亚微米至几个微米之间。纳米缝隙的宽度的具体数值需要根据具体情况(如对缝隙中有效折射率大小及相位延迟的要求)来决定。

所述的金属薄膜和金属柱采用良导体，如金、银、铜和铝等，选用的金属材料一方面满足尽可能小的对光的吸收率，另一方面该金属的体等离子体频率(body plasmon frequency)须小于所适用的光波频率。金属薄膜的厚度可根据具体要求设计，一般考虑到不同纳米缝隙对光波延迟相位调节的有效性和减低在实际工艺制造上困难，对于可见光和近红外光，金属薄膜厚度可在200纳米至波长长度之间。

所述的金属柱材料的选择及要求与金属薄膜的材料选择相同，两者可以相同，也可以不同。金属柱的形状可为半圆柱形、圆柱形或三角棱柱形等。为工艺实现简单，最好采用半圆柱形或三角棱柱形。若为圆柱形或半圆柱形，其横截面直径大小可选择在半波长至一倍波长的长度之间。若为三角棱柱形，其横截面边长大小在半波长至一倍波长的长度之间。金属柱的方向与金属薄膜中纳米缝隙的方向平行，且对称地位于正上方。金属柱与金属薄膜之间的距离为0.3～0.8倍波长长度。

本发明所述的一种基于金属微纳米结构的光学分束器的制造方法其步骤为：

1)在透明衬底上制备金属薄膜；

2)在金属薄膜上制备纳米缝隙：采用聚焦离子束刻蚀加工方法，或在金属薄膜上涂一层电子束曝光胶，然后用电子束曝光，显影去掉被曝光的胶，并以剩下的电子束曝光胶为掩膜版用反应离子刻蚀方法；

3)在纳米缝隙上方制备金属柱：可采用将截面为半圆形或三角形的金属柱制作为一个平行于纳米缝隙的金属薄膜上方的悬梁，两端用台面结构作为支撑件，或设在具有纳米缝隙结构金属薄膜的上方淀积一层用于作为支撑物的材料，再在作为支撑物的材料上用电子束光刻与反应离子刻蚀或化学腐蚀的方法形成具有半圆形或三角形截面的槽，然后在槽中淀积所选的金属柱所用的材料，最后利用紫外光光刻或电子束光刻的办法将中间器件作用区域的支撑件材料用化学方法腐蚀掉；

4)制备支撑件。

在本发明的作用过程中，当光束照射到这种具有缝隙结构的金属透镜一侧时，通过与金属微纳米结构的相互作用，光波被耦合成等离子体波，并通过一种漏斗式的收集效应将照射光的大部分能量通过等离子体波耦合到金属纳米缝隙中。在金属纳米缝隙中，光波传播的有效折射率依赖于缝隙宽度(缝隙越窄，有效折射率越大)。于是可以通过控制缝隙宽度来控制高度局域化的光(或等离子体波)在穿过相同厚度金属薄膜上的不同缝隙时的相位延迟。在缝隙出口，光波(或等离子体波)又被耦合成透镜另一侧介质空间内的光波。对于这种纳米缝隙结构，从缝隙中等离子体表面波转换为透射面自由空间的光波相当于是在缝隙出口处的偶极子所发射的柱面波。于是从不同缝隙发射出的具有不同相位差的柱面波相互干涉形成了不同的光束形状。这里，金属薄膜上不同缝隙的间距须在亚波长范围。金属缝隙的宽度在远小于波长的纳米范围(～几十纳米)时才有显著的有效折射率调制效应。当缝隙宽度从一边起逐渐增大(或减小)时，出现光束转向效应，光束转向缝隙窄的一侧。当缝隙宽度从一边起对称减小再增大时(宽-窄-宽)，出现光束的聚焦。当在这样一个具有聚焦功能的透镜的另一侧约半波长处放一金属柱(具有圆或三角形侧面)时，一方面聚焦的能量被耦合在金属柱底端形成局域化的等离子体，另一方面由于金属柱尺寸还是较大(远大于金属的表面透射深度～20纳米)于是沿柱表面也有传播性的表面等离子体波被耦合。同时，在具有纳米缝隙的金属透镜的表面也将有表面等离子体波形成。由于金属柱表面与透镜表面较近(亚波长范围)，它们的表面等离子体可以互相耦合，而在它们之间形成一个有效的谐振腔。在两端，金属柱表面与透镜表面的距离逐渐增大，于是在约一倍波长处可以形成自由空间的驻波(区别于束缚于金属表面周围的等离子体波)。在尺寸为约一倍波长的出口处，狭窄缝隙的光的衍射可产生具有高度方向性的散射光束，此即被分束的光。

本发明的横向尺寸在1～10微米之间，而目前的基于介质材料的微光学元件尺寸至少都在几十微米，并且由于是在金属薄膜上形成，有利于在微纳米光学***中的集成，也与现行的平面微纳米加工工艺相容。而且，一般的介质光学透镜聚焦的宽度都远大于波长，这类透镜可使其聚焦宽度小于波长。同时，这类金属薄膜上的纳米缝隙结构对光波的偏振也具有选择性，它只允许TM偏振(光波电场方向垂直与缝隙方向)方向的光透过。

附图说明

图1是悬空的具有纳米缝隙结构的金属聚焦透镜的侧视结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是制作在衬底上的具有纳米缝隙结构的金属聚焦透镜的侧视结构示意图。

图4～7是本发明实施例1(金属柱截面为半圆形的光学分束器)的结构示意图。其中，图4是侧视结构示意图；图5是图4所指光学分束器在中间垂直于纳米缝隙或金属柱方向的横截面示意图；图6是图4所指光学分束器在金属柱两末端制作有支撑件的垂直于金属柱方向的横截面示意图；图7是图4所指光学分束器在金属柱两末端制作有支撑件的沿垂直于金属柱方向和衬底法线方向所在平面的侧视图。

图8～11是本发明实施例2(金属柱截面为三角形的光学分束器)的结构示意图。其中，除金属柱形状(标号14)不同外，其他各部分与图4～7中具有相同标号的部分都相同，图示中观察角度也分别对应相同。

图12是金属薄膜采用银为材料的纳米缝隙中有效折射率与缝隙宽度之间的关系图。在图12中，横坐标为缝隙宽度(nm)，纵坐标为有效折射率；所画曲线是针对真空波长＝600nm的光波而言。

图13是利用有限时域差分法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)求图12中有效折射率与缝隙宽度间关系的示意图。在模拟计算中将一束平面光波(偏振的磁场方向垂直于图面)从图的左方入射向具有纳米缝隙的半无限大金属。

图14是用有限时域差分法模拟的具有不同宽度纳米缝隙结构的金属透镜对透射光的转向效应。在图14中，横坐标x和纵坐标y表示空间几何尺寸，x方向平行于金属薄膜且垂直于纳米缝隙，y方向沿金属薄膜的法向方向。图中坐标值的单位都是微米(μm)。

图15是用有限时域差分法模拟的具有不同宽度纳米缝隙结构的金属透镜对透射光的聚焦效应。在图15中，坐标的定义以及不同的变化所表示磁场强度大小的平方(|Hz|²强度)分布与图14中所表示的意义相同。但是表示光波强度相对大小的标记不同，同样的标记范围此处表示的光波强度大小为从0到0.4。

图16是对图15中具有聚焦效应的透镜结构用有限时域差分法模拟的平均能流密度的分布图。在图16中，坐标定义与图14和15都相同。图中不同变化表示平均能流密度大小的分布，图右边的标记0、0.2、0.4、0.6表示平均能流密度的相对大小。

图17是本发明提出的光学分束器的一个横截面结构示意图。它是在图15或图16中所示的具有聚焦效应的透镜的正上方引入一个金属圆柱。在图17中，英文字母SW表示纳米缝隙的宽度(Slit width)，S表示金属柱与金属聚焦透镜之间的距离(Separation)，D表示金属圆柱的直径(Diameter)。

图18是用有限时域差分法模拟的图17中光学分束器结构对透射光的分束效应。在图18中，横坐标x和纵坐标y表示空间几何尺寸，x方向平行于金属薄膜且垂直于纳米缝隙，y方向沿金属薄膜的法向方向。图中坐标值的单位都是微米(μm)。

图19是用有限时域差分法模拟的当图18中的金属圆柱为半圆形截面圆柱时的分束效应。

图20是用有限时域差分法模拟的光学分束器中的金属柱为三角棱形时光学分束器的分束效应。在图20中，坐标及各符号所表示的意义与图18中相对应部分所表示的意义相同。

图21是用有限时域差分法模拟的图20所示光学分束器中的三角棱柱离金属聚焦透镜很近时对透射光束强度分布的影响。

具体实施方式

图1和图2给出悬空的具有纳米缝隙结构的金属聚焦透镜的结构示意图。构成金属聚焦透镜的金属薄膜1上设有纳米缝隙2，在纳米缝隙2之间为金属薄膜3。

图3给出制作在衬底上的具有纳米缝隙结构的金属聚焦透镜的侧视结构示意图。在衬底4上淀积有构成金属聚焦透镜的金属薄膜5，在金属薄膜5上设纳米缝隙6，纳米缝隙间为条形金属薄膜7。

图4～7给出本发明实施例1(金属柱截面为半圆形的光学分束器)的结构示意图。其中，图4是侧视结构示意图；图5是图4所指光学分束器在中间垂直于纳米缝隙或金属柱方向的横截面示意图；图6是图4所指光学分束器在金属柱两末端制作有支撑件的垂直于金属柱方向的横截面示意图；图7是图4所指光学分束器在金属柱两末端制作有支撑件的沿垂直于金属柱方向和衬底法线方向所在平面的侧视图。在光学分束器的衬底8上设有金属薄膜9，在金属薄膜9上设有纳米缝隙10，在纳米缝隙间为条形金属薄膜11，在纳米缝隙10的正上方设有截面为半圆形的金属柱12。台面形支撑件13的材料选择不受限制，可以只考虑工艺的简易性，如硅、二氧化硅、有机聚合物等都可以。

衬底8为绝缘介质衬底或半导体材料衬底，最好选自光学玻璃、石英、对光波低吸收的半导体材料等，所述的对光波低吸收的半导体材料是指要求光波的光子能量小于半导体材料的禁带宽度的半导体材料。衬底8可为薄膜或薄板，衬底其大小应大于光学分束器的平面尺寸大小，其厚度为100微米。

金属薄膜9和金属柱12的材料采用金属银，金属薄膜9的厚度选为800纳米。纳米缝隙10的宽度为100纳米，纳米缝隙之间的距离、金属薄膜与金属柱之间的距离、金属柱的直径分别为0.5，1和1.5微米。

金属柱12的方向与金属薄膜9上的纳米缝隙10的方向平行。

图8～11给出本发明实施例2(金属柱截面为三角形的光学分束器)的结构示意图。其中，除金属柱14的形状不同外，其他各部分与图4～7中具有相同标号的部分都相同，图示中观察角度也分别对应相同。

图12给出金属薄膜采用银为材料的纳米缝隙中有效折射率与缝隙宽度之间的关系。其曲线是针对真空波长为600nm的光波而言。

图13给出利用有限时域差分法求图12中有效折射率与缝隙宽度间关系的示意图。在模拟计算中将一束平面光波(偏振的磁场方向垂直于图面)从图的左方入射向具有纳米缝隙的半无限大金属。图中横向和纵向尺寸表示了模拟区域的大小，图中的变化表示了某一时刻光波在垂直于图面方向的磁场(图中表示为：Hz-field)的强度分布。磁场强度的相对大小用图右边的标记-1、0、1来表示。

图14给出用有限时域差分法模拟的具有不同宽度纳米缝隙结构的金属透镜对透射光的转向效应。图中金属(银)薄膜厚度为300纳米，3个缝隙的中心间距为400纳米，缝隙宽度从左到右为50，80，100纳米，金属薄膜上下均为空气，光波的真空波长为600纳米。在图中表示了某一时刻光波在垂直于图面方向的磁场强度大小的平方值(|Hz|²强度)的分布，它正比于这一时刻的光波强度，其相对大小用图右边的标记0、0.1、0.2、0.3来表示。

图15给出用有限时域差分法模拟的具有不同宽度纳米缝隙结构的金属透镜对透射光的聚焦效应。图中金属(银)薄膜厚度为300纳米，3个缝隙的中心间距为400纳米，缝隙宽度从左到右为80，50，80纳米，金属薄膜上下均为空气，光波的真空波长为600纳米。

图16给出对图15中具有聚焦效应的透镜结构用有限时域差分法模拟的平均能流密度的分布图。

图17给出本发明提出的光学分束器的一个横截面结构示意图。在构成金属聚焦透镜的金属薄膜9上设有纳米缝隙10，金属圆柱15设于纳米缝隙10正上方，在纳米缝隙10之间为条形金属薄膜11。

图18给出用有限时域差分法模拟的图17中光学分束器结构对透射光的分束效应。图中金属(银)薄膜厚度为300纳米，3个缝隙的中心间距为400纳米，缝隙宽度从左到右为80，50，80纳米，金属圆柱的直径为400纳米，它位于金属薄膜的300纳米上方，金属薄膜上下均为空气，光波的真空波长为600纳米。图中表示的某一时刻光波在垂直于图面方向的磁场强度大小的平方值(|Hz|²强度)的分布，它正比于这一时刻的光波强度，其相对大小用图右边的标记0、0.02、...0.1表示。入射光是平面波，它从图的下面向上照射。

图19给出用有限时域差分法模拟的当图18中的金属圆柱为半圆形截面圆柱时的分束效应，也即将图18中金属圆柱的上半部分去掉，但半圆形金属柱的直径保持不变。图中其它条件(包括金属聚焦透镜的结构尺寸、金属柱与金属聚焦透镜之间的距离、入射波长等)和图中坐标和符号的意义与图18中相对应的部分表示的意义相同。

图20给出用有限时域差分法模拟的光学分束器中的金属柱为三角棱形时光学分束器的分束效应。图中金属(银)薄膜厚度为300纳米，3个缝隙的中心间距为400纳米，缝隙宽度从左到右为80，50，80纳米，金属柱三角形截面的朝下的顶角为90度，三角形截面在y方向的高度为400纳米，它位于离金属薄膜距离为300纳米的正上方且对称摆置，金属薄膜上下均为空气，光波的真空波长为600纳米。

图21给出用有限时域差分法模拟的图20所示光学分束器中的三角棱柱离金属聚焦透镜很近时对透射光束强度分布的影响。在图21中，除三角棱柱离金属聚焦透镜的距离为100纳米及其图右边所表示在0～0.5之间与图20中不同外，其他部分结构尺寸、入射波长及图中坐标、符号等所表示的意义与图20中相对应的部分完全相同。

从图14～21可以看出，本发明提出的光学透镜结构可以实现光束的转向、聚焦、分束和表面等离子体波的耦合。在具体实施中，首先通过分析计算可以确定缝隙中有效折射率与缝隙宽度之间的依赖关系(如图12所示)。这个关系可以通过如下方程算得：

$\frac{{\mathrm{\γ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_2}+f_{\±}\left({\mathrm{\γ}}_{1}a\right)\·\frac{{\mathrm{\γ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_1}=0,---\left(1\right)$

$f_{\±}\left({\mathrm{\γ}}_{1}a\right)={\left(\frac{1-e^{-{\mathrm{\γ}}_{1}a}}{1+e^{-{\mathrm{\γ}}_{1}a}}\right)}^{\±1},---\left(2\right)$

${\mathrm{\γ}}_j=\sqrt{{\mathrm{\β}}^2-{\mathrm{\ϵ}}_j{k}_0^2},(j=\mathrm{1,2}).---\left(3\right)$

式中下标j＝1和2分别对应于缝隙中的介质和金属；k_j＝iγ_j是在缝隙和金属区域内光波(或等离子体波)在横向的复传播常数；a指缝隙的宽度；f_±(γ₁a)表征在缝隙两侧的表面等离子体波的耦合；符号“+”和“-”分别对应于对称和非对称耦合；一般来说只有对称模式可以被耦合。有效折射率和缝隙宽度间的关系也可以通过有限时域差分的方法算得，这可以通过将光束照射到一个半无限的一定宽度的纳米缝隙一端来耦合光波(或等离子体波)在缝隙中传播。如果得到了缝隙中光波传播的波长周期，便可算得有效折射率Re(N_eff)＝λ_xp/λ₀，其中λ_xp是缝隙中的等离子体波波长，λ₀是所入射波在真空中的波长。图12给出了真空波长为600纳米时的关系，当波长为其它值时也可用相同的方法来确定不同缝宽下的有效折射率。

参见图14，由于左端缝隙较窄，相位延迟较大，最终造成出射后相互干涉的光束向较窄的纳米缝隙一侧偏转。这里需要强调的是，缝隙间距必须小于光波的波长，否则只会在出射空间形成周期性的干涉图案。

参见图15和16，中间缝隙中的有效折射率较大，因而引起更大的相位延迟，这如同一个凸透镜。聚焦的焦点一般在半波长至一倍波长范围之间，聚焦宽度小于波长(如图16所示)。

图18中在如图15所示的金属聚焦透镜的的上方300纳米处引入了一个圆柱，其直径为400纳米。圆柱正好处于透镜的聚焦处，它可将聚焦的光束能量吸收和散射。对于一定尺寸的圆柱，在其下方正好可以形成一个等效的二次纳米光源而发射光波。当此光波与从纳米缝隙中发射的光再进行干涉时便形成了分束光波。这里包括缝隙等效光源和圆柱底的二次纳米光源，它们之间的距离都位于亚波长之内。值得注意的是，此分束效应与所采用的金属圆柱的尺寸、位置、以及金属缝隙透镜的结构都有密切关系。比如说，当圆柱直径太小时，聚焦光束可以直接越过此圆柱而不产生强烈的二次发射；当圆柱直径很大时，很容易将聚焦光耦合到圆柱表面形成围绕圆柱的表面等离子体波。为使制造工艺简单化，图19中将圆柱的上半部分去掉仍可实现光分束。而要进一步减少，则会出现细的金属柱不能有效地收集光束的效果，从而不能很好地使透射光分束。

同样地，也可以采用图20中具有三角棱柱(三角形截面)的结构来实现分束。对于这种结构，三角形顶角的角度如果太小，聚焦光很容易耦合到两个侧面形成等离子体波，从而严重影响分束。如果角度太大，将会使更多的能量耦合到金属透镜薄膜的表面。而且如图21所示，当三角棱柱离金属透镜薄膜很近时，它可基本上将透射光耦合到金属薄膜表面形成等离子体波，金属表面的光场将十分强烈。

以下介绍一种基于金属微纳米结构的光学分束器的基本制造方法。

在器件材料的选择上，如良导体金(Au)、银(Ag)、铝(Al)、铜(Cu)或是它们的合金都是合适的金属材料。然后通过合适的微纳米加工方法制造出如图1～11(图1～3是聚焦透镜，图4～11是光学分束器)所示的各类器件的结构。这些结构可以是制作在某种介质衬底上，也可以是在悬空的金属薄膜上。

以下实施例说明图1～3中聚焦透镜的制造工艺。对于悬空的金属薄膜可以先淀积金属膜在某种衬底上，然后再选择性地在中间的广阔区域内通过刻蚀的方法去掉衬底形成。器件也可直接做在淀积在某种透明衬底上的金属薄膜。纳米缝隙结构可以用高精度控制的聚焦离子束刻蚀(Focused Ion Beam Milling)直接加工形成；也可以先在金属膜上均匀地涂一层电子束曝光胶(如PMMA)，然后用电子束曝光(Electron Beam Lithography)，显影去掉被曝光的胶，并以剩下的电子束曝光胶为掩膜版用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching)来制造纳米缝隙。当采用电子束光刻法制造时，曝光胶直接作为掩膜版其厚度不够，可在涂胶前先在形成器件的金属膜上淀积一层耐刻蚀的金属(如铬Cr，或在淀积Cr前在器件金属膜上做一层非常薄的非金属膜以便于后面去除掩膜用的金属Cr)作为刻蚀的转移层，最后去除作为刻蚀转移层的金属Cr。具体操作中，也还可以结合其它的一些先进的微纳米加工工艺来实现结构的加工，如纳米压印技术(Nano-imprint Lithography)，还有直接在衬底上选择性地生长器件金属材料的方法。

对于光学分束器结构(参见图4～11)，在上述纳米缝隙聚焦透镜结构的基础上，将金属柱(半圆或三角截面)制作为一个平行于缝隙的透镜金属薄膜上方的悬梁，两端用某种台面结构作为支撑件(如图6、7、10、11所示)。设在具有纳米缝隙结构金属聚焦透镜薄膜的上方淀积一层一定厚度的可用于作为支撑物的材料(如硅)，再在上面用电子束光刻与反应离子刻蚀或化学腐蚀的方法形成适当深度的具有半圆或三角截面的槽，然后在槽中淀积所选的金属材料(金属柱所用的材料)，最后利用紫外光光刻或电子束光刻的办法将中间器件作用区域(有纳米缝隙的区域)的支撑件材料用化学方法腐蚀掉，便可形成如图所示的器件结构。

Claims (9)

1.一种基于金属微纳米结构的光学分束器，其特征在于设有衬底，在衬底上淀积有一层金属薄膜，在金属薄膜上设有至少2条宽度不同且相互平行的纳米缝隙，在纳米缝隙的正上方设有金属柱，金属柱与金属薄膜之间设有支撑件；衬底其大小应大于光学分束器的平面尺寸大小，其厚度可以小于半波长，或远大于波长；所述的纳米缝隙的宽度为1～200纳米，纳米缝隙之间的距离、金属薄膜与金属柱之间的距离、金属柱的直径在亚微米至几个微米之间；金属柱的方向与金属薄膜中纳米缝隙的方向平行，且金属柱对称地位于纳米缝隙的正上方，金属柱与金属薄膜之间的距离为0.3～0.8倍波长长度。

2.如权利要求1所述的一种基于金属微纳米结构的光学分束器，其特征在于所述的衬底为绝缘介质衬底或半导体材料衬底。

3.如权利要求2所述的一种基于金属微纳米结构的光学分束器，其特征在于所述的绝缘介质衬底或半导体材料衬底选自对光波低吸收的半导体材料。

4.如权利要求3所述的一种基于金属微纳米结构的光学分束器，其特征在于所述的对光波低吸收的半导体材料选自光学玻璃或石英。

5.如权利要求1或2或3所述的一种基于金属微纳米结构的光学分束器，其特征在于所述的衬底的形状为薄膜或薄板。

6.如权利要求1所述的一种基于金属微纳米结构的光学分束器，其特征在于所述的金属薄膜和金属柱采用良导体。

7.如权利要求1所述的一种基于金属微纳米结构的光学分束器，其特征在于所述的金属柱的形状为半圆柱形、圆柱形或三角棱柱形。

8.如权利要求7所述的一种基于金属微纳米结构的光学分束器，其特征在于所述的圆柱形或半圆柱形其横截面直径大小选择在半波长至一倍波长的长度之间，所述的三角棱柱形其横截面边长大小在半波长至一倍波长的长度之间。

9.如权利要求1所述的一种基于金属微纳米结构的光学分束器的制造方法，其特征在于其步骤为：

1)在透明衬底上制备金属薄膜；

2)在金属薄膜上制备纳米缝隙：采用聚焦离子束刻蚀加工方法，或在金属薄膜上涂一层电子束曝光胶，然后用电子束曝光，显影去掉被曝光的胶，并以剩下的电子束曝光胶为掩膜版用反应离子刻蚀方法；

3)在纳米缝隙上方制备金属柱：可采用将截面为半圆形或三角形的金属柱制作为一个平行于纳米缝隙的金属薄膜上方的悬梁，两端用台面结构作为支撑件，或设在具有纳米缝隙结构金属薄膜的上方淀积一层用于作为支撑物的材料，再在作为支撑物的材料上用电子束光刻与反应离子刻蚀或化学腐蚀的方法形成具有半圆形或三角形截面的槽，然后在槽中淀积所选的金属柱所用的材料，最后利用紫外光光刻或电子束光刻的办法将中间器件作用区域的支撑件材料用化学方法腐蚀掉；

4)制备支撑件。

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