[发明专利]基于非对称纳米沟槽结构宽带SPPs单向激发器及控制方法

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宽带表面等离激元单向激发器及其控制方法。

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，而且可以满足很多特定的应用要求。例如，通过在常规的SPPs源的一侧加周期性的纳米沟槽或纳米脊阵列，利用布拉格反射可以使SPPs向另一侧单向激发；通过控制两个不同SPPs源之间的干涉，如纳米缝、纳米腔、纳米沟槽，也可以实现SPPs的单向激发。但是，由于这些SPPs的单向激发都是基于布拉格反射或者接近完全的相干相消，所以对入射光波长有严格的要求，这对于实现更复杂的多波长功能器件非常不利。另外，对入射光波长的严格要求也意味着要求样品加工具有很高的精度，这增加了样品加工的难度。通过在非对称纳米单缝表面加介质薄膜增加对SPPs的场束缚，人们获得了带宽达到100nm的宽带SPPs的单向激发器，但是，介质薄膜的增加不仅缩短了SPPs的传输距离，同时也降低了器件设计和加工上的灵活性，不利于实际应用。

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宽带表面等离激元单向激发器及其控制方法。

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宽带表面等离激元单向激发器。

本发明的宽带表面等离激元单向激发器包括：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宽带表面等离激元单向激发器的控制方法。

本发明的基于非对称纳米沟槽结构的宽带表面等离激元单向激发器的控制方法，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，激发主纳米沟槽中的反对称模式的二阶波导模式；