[发明专利]非对称纳米沟槽结构双色表面等离激元分束器及分束方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，尤其涉及一种基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束器及其分束方法。

背景技术

表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons)SPPs是目前纳米光子学研究中的热点。表面等离激元是一种存在于金属与介质界面处的光波与金属内自由电子耦合的集体振荡，它是一种特殊的界面束缚模式的电磁场，其存在可以通过求解在金属与介质界面的边界条件下的麦克斯韦方程组而得到。SPPs最大的特点是可以把光场局域在金属与介质界面处亚波长的尺寸内，突破传统光学的衍射极限，同时还拥有局域场增强效应，近年来SPPs得到了研究者的广泛关注。

由于SPPs可以突破衍射极限并在亚波长尺度操纵光场，SPPs有望实现超紧凑的集成全光回路，被认为是下一代信息处理技术的有力竞争者。为实现这样的应用，对SPPs实现高效及方向可控的激发是非常基本且关键的。目前，人们已提出了多种SPPs的单向激发器，即让激发出的SPPs向某一特定方向传播，这样既可以提高该方向上SPPs的激发效率，又可以降低相反方向上的杂散SPPs信号。但是这类表面等离激元单向激发器只能在某一个方向上实现SPPs的消光。更进一步的，人们又提出了双色表面等离激元分束器，即能够使两个不同波长的SPPs分别向两个相反方向进行单向激发。与表面等离激元单向激发器相比，双色表面等离激元分束器能够实现更多的功能，也有更广阔的应用，但是结构也更加复杂，难于制备，因此，这方面的工作目前还比较少。通过在纳米单缝两侧加两个周期不同的光栅，可以引导与周期相对应波长的SPPs向该方向传播。但这些额外的光栅结构极大的增加了SPPs分束器的尺寸，不利于高度集成。再者，在非对称的纳米单缝上覆盖一层有限厚度的介质膜也能实现SPPs的分束，但是由于增加了介质膜，缩短了SPPs的传输距离，同时降低了器件设计和加工上的灵活性。另外，由于受到纳米单缝较低的透射率的限制，这类基于纳米单缝结构的双色表面等离激元分束器激发SPPs的效率都比较低，大大限制了其实际应用。最近，有人提出利用尺寸不同的纳米沟槽对SPPs的不同反射特性，即制备一对平行的宽度不同的纳米沟槽来实现亚微米的分束器，但分束比过低，在分束波长650nm和750nm分别只获得了3:1和1:2的分束比。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束器及其分束方法。

本发明的一个目的在于提供一种基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束器。

本发明的基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束器包括：金属薄膜；在金属薄膜的表面设置有主纳米沟槽；在主纳米沟槽的底部一侧设置有附加纳米沟槽，附加纳米沟槽的宽度小于主纳米沟槽的宽度，形成非对称纳米沟槽结构；以电场方向垂直于纳米沟槽的线偏振紧聚焦高斯光作为入射光，从正面正入射到非对称纳米沟槽结构；在第一个工作波长下，在金属表面激发的表面等离激元SPPs有三种不同的来源：正入射的紧聚焦高斯光在主纳米沟槽的槽口直接激发的SPPs、主纳米沟槽中的一阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs和主纳米沟槽中的二阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs；通过同时调整主纳米沟槽的深度以及附加纳米沟槽的深度，使得正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在同侧激发的SPPs的振幅相等、相位相反，二者互相抵消，形成完美消光；与此同时，正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在另一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在另一侧激发的SPPs刚好振幅相等、相位相同，二者相干相长，从而获得第一个工作波长下的SPPs的单向激发；在第二个工作波长下，主纳米沟槽中出现三阶波导模式，三阶波导模式在主纳米沟槽的槽口所激发的额外SPPs使金属表面的总的SPPs发射方向发生反转，从而实现第二个工作波长下的向另外一个方向上的SPPs的单向激发。

本发明的另一个目的在于提供一种基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束方法。

本发明的基于非对称纳米沟槽结构的双色表面等离激元分束方法，包括以下步骤：

1)以电场方向垂直于纳米沟槽的线偏振紧聚焦高斯光作为入射光，在第一个工作波长下，从正面正入射到主纳米沟槽，激发主纳米沟槽中的对称模式的一阶波导模式；

2)主纳米沟槽中的一阶波导模式向下传播到主纳米沟槽的底部后，激发附加纳米沟槽中的一阶波导模式；