[发明专利]基于非对称纳米沟槽结构的SPPs模式转换器及其转换方法

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高效表面等离激元模式转换器及其转换方法。

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。金属/介质/金属(metal/dielectric/metal)MDM波导结构由于可以很好地支持紧束缚的SPPs波导模式，因此被广泛研究。对于介质层宽度在几百纳米的MDM波导结构，其中除了存在对称模式的一阶波导模式，还存在反对称模式的二阶波导模式，这两种模式由于具有不同的空间对称性，互相干涉之后可以对总的电磁场分布进行调控，因此可以被利用来控制总的电磁场，比如实现方向性散射等等。然而，由于二阶波导模式的模场分布相对复杂，存在纳米尺度上的分布梯度，因此外界激发光场与二阶波导模式的模场分布匹配程度较低，相应的外界激发光场激发二阶波导模式的效率也就比较低，极大的限制了进一步对总的电磁场分布的调控。特别是对于实际中最常用的紧聚焦高斯光正入射激发，由于入射激光场为对称分布，因此对反对称模式的二阶波导模式的激发效率等于零。采用复杂的激发场分布，提高激发场与二阶波导模式的模场分布的匹配程度，可以在一定程度上提高二阶波导模式的激发效率，但是复杂的激发场分布意味着实验上的难度大大增加。

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高效表面等离激元模式转换器及其转换方法。

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高效表面等离激元模式转换器。

本发明的表面等离激元模式转换器包括：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；紧聚焦高斯光激发主纳米沟槽中的一阶波导模式；主纳米沟槽中的一阶波导模式激发附加纳米沟槽中的一阶波导模式；附加纳米沟槽中的一阶波导模式从底部反射后激发主纳米沟槽中的二阶波导模式；控制附加纳米沟槽的深度控制共振强度，从而控制主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式的相互转换系数，实现控制模式转换效率。

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表面等离激元模式转换方法。

本发明的基于非对称纳米沟槽结构的表面等离激元模式转换方法，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，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；

3)附加纳米沟槽中的一阶波导模式进一步传播到附加纳米沟槽的底部并被底部的金属反射；

4)反射之后附加纳米沟槽中的一阶波导模式向上传播到主纳米沟槽的底部，由于附加纳米沟槽中的一阶波导模式与主纳米沟槽中的二阶波导模式的场分布存在交叠，因此可以激发主纳米沟槽中的二阶波导模式；

5)通过控制附加纳米沟槽的深度控制共振强度，从而控制主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式的相互转换系数，实现控制模式转换的效率。

金属薄膜的厚度≥400nm；材料采用金或银等贵金属。