非對(duì)稱納米溝槽結(jié)構(gòu)雙色表面等離激元分束器及分束方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米光子學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于非對(duì)稱納米溝槽結(jié)構(gòu)的雙色表面等離激元分束器及其分束方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離激元(Surface Plasmon Polaritons) SPPs是目前納米光子學(xué)研宄中的熱點(diǎn)。表面等離激元是一種存在于金屬與介質(zhì)界面處的光波與金屬內(nèi)自由電子耦合的集體振蕩，它是一種特殊的界面束縛模式的電磁場(chǎng)，其存在可以通過求解在金屬與介質(zhì)界面的邊界條件下的麥克斯韋方程組而得到。SPPs最大的特點(diǎn)是可以把光場(chǎng)局域在金屬與介質(zhì)界面處亞波長(zhǎng)的尺寸內(nèi)，突破傳統(tǒng)光學(xué)的衍射極限，同時(shí)還擁有局域場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，近年來SPPs得到了研宄者的廣泛關(guān)注。
[0003]由于SPPs可以突破衍射極限并在亞波長(zhǎng)尺度操縱光場(chǎng)，SPPs有望實(shí)現(xiàn)超緊湊的集成全光回路，被認(rèn)為是下一代信息處理技術(shù)的有力競(jìng)爭(zhēng)者。為實(shí)現(xiàn)這樣的應(yīng)用，對(duì)SPPs實(shí)現(xiàn)高效及方向可控的激發(fā)是非?；厩谊P(guān)鍵的。目前，人們已提出了多種SPPs的單向激發(fā)器，即讓激發(fā)出的SPPs向某一特定方向傳播，這樣既可以提高該方向上SPPs的激發(fā)效率，又可以降低相反方向上的雜散SPPs信號(hào)。但是這類表面等離激元單向激發(fā)器只能在某一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)SPPs的消光。更進(jìn)一步的，人們又提出了雙色表面等離激元分束器，即能夠使兩個(gè)不同波長(zhǎng)的SPPs分別向兩個(gè)相反方向進(jìn)行單向激發(fā)。與表面等離激元單向激發(fā)器相比，雙色表面等離激元分束器能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能，也有更廣闊的應(yīng)用，但是結(jié)構(gòu)也更加復(fù)雜，難于制備，因此，這方面的工作目前還比較少。通過在納米單縫兩側(cè)加兩個(gè)周期不同的光柵，可以引導(dǎo)與周期相對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的SPPs向該方向傳播。但這些額外的光柵結(jié)構(gòu)極大的增加了 SPPs分束器的尺寸，不利于高度集成。再者，在非對(duì)稱的納米單縫上覆蓋一層有限厚度的介質(zhì)膜也能實(shí)現(xiàn)SPPs的分束，但是由于增加了介質(zhì)膜，縮短了 SPPs的傳輸距離，同時(shí)降低了器件設(shè)計(jì)和加工上的靈活性。另外，由于受到納米單縫較低的透射率的限制，這類基于納米單縫結(jié)構(gòu)的雙色表面等離激元分束器激發(fā)SPPs的效率都比較低，大大限制了其實(shí)際應(yīng)用。最近，有人提出利用尺寸不同的納米溝槽對(duì)SPPs的不同反射特性，即制備一對(duì)平行的寬度不同的納米溝槽來實(shí)現(xiàn)亞微米的分束器，但分束比過低，在分束波長(zhǎng)650nm和750nm分別只獲得了 3:1和1:2的分束比。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于非對(duì)稱納米溝槽結(jié)構(gòu)的雙色表面等離激元分束器及其分束方法。
[0005]本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種基于非對(duì)稱納米溝槽結(jié)構(gòu)的雙色表面等離激元分束器。
[0006]本發(fā)明的基于非對(duì)稱納米溝槽結(jié)構(gòu)的雙色表面等離激元分束器包括:金屬薄膜；在金屬薄膜的表面設(shè)置有主納米溝槽；在主納米溝槽的底部一側(cè)設(shè)置有附加納米溝槽，附加納米溝槽的寬度小于主納米溝槽的寬度，形成非對(duì)稱納米溝槽結(jié)構(gòu)；以電場(chǎng)方向垂直于納米溝槽的線偏振緊聚焦高斯光作為入射光，從正面正入射到非對(duì)稱納米溝槽結(jié)構(gòu)；在第一個(gè)工作波長(zhǎng)下，在金屬表面激發(fā)的表面等離激元SPPs有三種不同的來源:正入射的緊聚焦高斯光在主納米溝槽的槽口直接激發(fā)的SPPs、主納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式在主納米溝槽的槽口激發(fā)的SPPs和主納米溝槽中的二階波導(dǎo)模式在主納米溝槽的槽口激發(fā)的SPPs ；通過同時(shí)調(diào)整主納米溝槽的深度以及附加納米溝槽的深度，使得正入射的緊聚焦高斯光和主納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式在一側(cè)所激發(fā)的SPPs的總和與二階波導(dǎo)模式在同側(cè)激發(fā)的SPPs的振幅相等、相位相反，二者互相抵消，形成完美消光；與此同時(shí)，正入射的緊聚焦高斯光和主納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式在另一側(cè)所激發(fā)的SPPs的總和與二階波導(dǎo)模式在另一側(cè)激發(fā)的SPPs剛好振幅相等、相位相同，二者相干相長(zhǎng)，從而獲得第一個(gè)工作波長(zhǎng)下的SPPs的單向激發(fā)；在第二個(gè)工作波長(zhǎng)下，主納米溝槽中出現(xiàn)三階波導(dǎo)模式，三階波導(dǎo)模式在主納米溝槽的槽口所激發(fā)的額外SPPs使金屬表面的總的SPPs發(fā)射方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)第二個(gè)工作波長(zhǎng)下的向另外一個(gè)方向上的SPPs的單向激發(fā)。
[0007]本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種基于非對(duì)稱納米溝槽結(jié)構(gòu)的雙色表面等離激元分束方法。
[0008]本發(fā)明的基于非對(duì)稱納米溝槽結(jié)構(gòu)的雙色表面等離激元分束方法，包括以下步驟:
[0009]I)以電場(chǎng)方向垂直于納米溝槽的線偏振緊聚焦高斯光作為入射光，在第一個(gè)工作波長(zhǎng)下，從正面正入射到主納米溝槽，激發(fā)主納米溝槽中的對(duì)稱模式的一階波導(dǎo)模式；
[0010]2)主納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式向下傳播到主納米溝槽的底部后，激發(fā)附加納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式；
[0011]3)附加納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式進(jìn)一步傳播到附加納米溝槽的底部并被底部的金屬反射；
[0012]4)反射之后附加納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式向上傳播到主納米溝槽的底部，激發(fā)主納米溝槽中的反對(duì)稱模式的二階波導(dǎo)模式；
[0013]5)主納米溝槽中的二階波導(dǎo)模式進(jìn)一步向上傳播到主納米溝槽的槽口，并在主納米溝槽的槽口激發(fā)金屬表面的表面等離激元SPPs，在金屬表面所激發(fā)的表面等離激元SPPs有三種不同的來源:正入射的緊聚焦高斯光在主納米溝槽的槽口直接激發(fā)的SPPs、主納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式在主納米溝槽的槽口激發(fā)的SPPs和主納米溝槽中的二階波導(dǎo)模式在主納米溝槽的槽口激發(fā)的SPPs ；
[0014]6)同時(shí)調(diào)整主納米溝槽的深度Ii1和附加納米溝槽的深度112，使得正入射的緊聚焦高斯光和主納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式在一側(cè)所激發(fā)的SPPs的總和與二階波導(dǎo)模式在同側(cè)激發(fā)的SPPs的振幅相等、相位相反，二者互相抵消，形成完美消光；與此同時(shí)，正入射的緊聚焦高斯光和主納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式在另一側(cè)所激發(fā)的SPPs的總和與二階波導(dǎo)模式在另一側(cè)激發(fā)的SPPs剛好振幅相等、相位相同，二者相干相長(zhǎng)，SPPs的單向激發(fā)的相位和振幅條件同時(shí)得到滿足，從而獲得SPPs的單向激發(fā)；
[0015]7)選擇第二個(gè)工作波長(zhǎng)小于第一個(gè)工作波長(zhǎng)，并且在第二個(gè)工作波長(zhǎng)下，主納米溝槽中出現(xiàn)三階波導(dǎo)模式，三階波導(dǎo)模式在主納米溝槽的槽口所激發(fā)的額外SPPs使金屬表面的總的SPPs發(fā)射方向發(fā)生反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)第二個(gè)工作波長(zhǎng)下的向另一個(gè)方向上的SPPs的單向激發(fā)。
[0016]其中，在步驟6)中，通過調(diào)整主納米溝槽的深度!^改變主納米溝槽中一階波導(dǎo)模式和二階波導(dǎo)模式之間的相位差，從而控制這兩種模式在金屬表面所激發(fā)的SPPs之間的相位差；通過改變h2改變附加納米溝槽中一階波導(dǎo)模式所激發(fā)的主納米溝槽中二階波導(dǎo)模式的強(qiáng)度，控制主納米溝槽中一階波導(dǎo)模式和二階波導(dǎo)模式的相對(duì)強(qiáng)度，從而控制這兩種模式在金屬表面所激發(fā)的SPPs之間的相對(duì)振幅。
[0017]金屬薄膜的厚度^ 400nm ;材料采用金或銀等貴金屬。
[0018]雙色表面等離激元分束器實(shí)際上可以看作是由同一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)表面等離激元的單向激發(fā)器，這兩個(gè)表面等離激元單向激發(fā)器分別工作在兩個(gè)不同波長(zhǎng)，并且在這兩個(gè)不同工作波長(zhǎng)下單向激發(fā)SPPs的方向正好相反，于是就構(gòu)成了一個(gè)雙色表面等離激元分束器。因此，首先考慮在第一個(gè)工作波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)SPPs的單向激發(fā)。在正入射的緊聚焦高斯光激發(fā)下，金屬薄膜表面的合適尺寸的納米溝槽可以作為有效的表面等離激元激發(fā)器，以很高的效率向左右兩個(gè)相反方向激發(fā)兩束強(qiáng)度相同的SPPs。但是，由于正入射激發(fā)時(shí)激發(fā)光的空間對(duì)稱性，納米溝槽中只有對(duì)稱模式的一階波導(dǎo)模式可以被激發(fā)。該波導(dǎo)模式被納米溝槽底部的金屬以接近于I的反射率反射之后，進(jìn)一步傳播到溝槽口并在溝槽的槽口激發(fā)金屬表面的SPPs，由該對(duì)稱模式的一階波導(dǎo)模式所激發(fā)的SPPs向左右兩個(gè)方向的強(qiáng)度相等，因此無法獲得單向激發(fā)。
[0019]設(shè)置在金屬薄膜表面的主納米溝槽及主納米溝槽的底部一側(cè)的附加納米溝槽，形成非對(duì)稱溝槽結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)SPPs的單向激發(fā)。以在主納米溝槽底部右側(cè)設(shè)置附加納米溝槽為例，當(dāng)以電場(chǎng)方向垂直于納米溝槽的線偏振緊聚焦高斯光作為入射光從正面正入射到主納米溝槽的槽口時(shí)，主納米溝槽中的對(duì)稱模式的一階波導(dǎo)模式首先被激發(fā)。該波導(dǎo)模式向下傳播到主納米溝槽的底部之后，可以激發(fā)附加納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式，附加納米溝槽中的一階波導(dǎo)模式進(jìn)一步傳播到附加納米溝槽的底部并被底部的金屬以接近于I的反