CN102103268B - 一种表面等离子体输出偏振态的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面等离子体输出偏振态的控制方法。通过设计一种新型的周期矩形结构对输入偏振态两个分量实现不同控制，对两个方向不同的光栅结构设计控制输出偏振态。而且本发明通过封装加工后，在输入偏振态任意的情况下通过对器件的旋转来实现输出偏振态的控制。可以在输入任意线偏振时，实现输出态为圆偏振。在纳米量级光子回路中有很高的实际应用价值。

Description

一种表面等离子体输出偏振态的控制方法

技术领域

本发明涉及表面等离子体学、偏振光学领域，尤其是纳米量级光电子回路器件技术。

背景技术

目前随着各种信息业务的需求增长，整个通信网络迫切需要高速率和大容量技术的支撑。在以后高达数百Gb/s乃至Tb/s的传输速度情况下，电子回路遇到了重大的瓶颈，除了集成工艺和高速电子信号处理的局限性外，速率越高，串扰越严重，而且功耗越大。对此，集成光子学的出现有效地解决了处理速度和能耗的挑战，符合国家目前提倡的节能与环保创新战略。但是由于目前的网络光电并存，两者的融合成为一个关键的问题。表面等离子体激元（SPPs）的诞生可为电路与光路架设一座有效的桥梁，解决了电子/光子元器件与回路尺寸差异的问题，将两者集成在一个纳米尺度的回路上。

基于SPPs的微纳集成光子回路将成为实现全光网络的关键技术，那么光的偏振态特性显得尤为重要。偏振是光波最基本的特性，在目前的光纤通信系统中是最重要的性能指标之一，因此必须解决光信号传输与处理上的偏振问题。在SPPs光子回路中。等离子体纳米器件集成在激光器出射端面，进而产生SPPs在端面传输，通过对端面纳米结构的设计，可以产生所需的偏振态光。从应用层面上讲，回路除了用于高速互联与通信外，还可以用于微波光子、生物分析检测和精密控制等，在军事、交通、医疗等方面都具有巨大的实用价值：在通信系统中两束正交的电磁波能使信号的传输率翻倍；利用对左旋和右旋圆偏振光吸收率的差别可检测具有对映异构体特性的化学分子或生物大分子等等。

对于基于SPPs的偏振控制的研究，大部分研究都集中于基于金属光栅结构，利用光栅的透射或者反射来实现输出偏振态的控制。但以上两种方案都有各自的局限性，利用光栅的反射来实现输出偏振态控制的方案的反射光谱宽度有一定的限制；而利用透射实现输出偏振态控制的方案的透射率比较小。本发明给出了一种高透射率的等离子体输出偏振态的控制方案。

发明内容

鉴于以上陈述的已有方案的不足，本发明旨在提供一种等离子体输出偏振态的控制方案，在保证对输出偏振态控制的基础上增强透射光强，并且通过封装加工后可以通过旋转件来实现传统偏振光学中双折射晶体的作用。

本发明的目的通过如下手段来实现。

表面等离子体输出偏振态的控制方法，表面等离子体的金属结构采用周期性矩形光栅结构，使入射光的偏振态分解为垂直两个方向上偏振分量；通过两个方向非对称的矩形结构设计实现对两个偏振态的控制，以实现在输入态为线偏振态时输出态为圆偏振。

本发明表面等离子的金属结构是采用一种新型的周期性矩形结构。对二维的周期光栅结构，表面等离子体的激发和入射光的偏振态和光栅结构有关系。通过双折射振动理论，投射光的偏振方向如果平行于金属的方向，这时的就相当于入射到平面金属中，大部分的能量将会反射；如果入射光的偏振方向与光栅结构垂直，入射光的强度和远远大于反射的强度，大部分就会透过金属结构。矩形结构设计通过变换光栅的周期、占空比和槽深来控制单方向的偏振态，实现对投射光输出偏振态控制。

这里提出的周期性矩形结构相当于垂直两个方向上的光栅结构。对于入射光的偏振态也可分解为垂直两个方向上偏振分量，与矩形的两个方向相对应。两个方向上非对称结构设计实现两个偏振态的不同的调制，由于结构不同，两个方向上的偏振态会产生不同的透射率和相位变化，在输出端可以控制输出偏振态合成输出。

经过上述的新型结构，本发明具有如下优点：通过将二维光栅扩展到三维的矩形结构，实现对偏振态两个分量的控制输出，增加了透射光强；而且该结构有类似经典偏振光学中双折射晶体同样的原理，通过加工封装后，通过旋转封装后器件来实现输入偏振态在两个方向上的分量大小，最终实现对输出偏振态的控制。

附图说明如下：

图1. 本发明方案的结构框图。

图2. (a) 结构的俯视图;(b)旋转结构控制框图。

图3. 在入射波长为550nm，周期为120nm时，二维周期光栅结构的透射率随结构占空比变化的规律图。

图4. 在入射波长为550nm，周期为120nm时，三维周期光栅结构下，确定x方向上的占空比为60%，透射率随y方向上占空比变化的规律图。

图5. 在周期为120nm时，x方向上的占空比为60%，y方向的占空比为90%。周期性矩形结构的透射率光谱。

图6. 在周期为120nm时，x方向上的占空比为60%，y方向的占空比为90%，控制输出偏振态为圆偏振光。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施作进一步的描述。

如图1所示，本发明方案由一个周期型的矩形结构构成，单个周期内的矩形的结构可以随着设计的需求而更改，而且也可通过对结构的旋转控制输出偏振态。

对于单个方向的光栅结构，透射光可以看作表面等离子体的后向信号和洛仑兹振荡的相干叠加。对于透射光的偏振态，采用Jones矩阵可以表示为：

                      (1)

其中

                   (2)

和

分别表示后向信号和振荡信号的幅值，

表示该两个信号光的相位差，

为振荡信号频率，

为阻尼常数。

对于本方案提出的矩形结构，入射线偏振光到达金属结构后，可以分解为两个方向上的分量如图2(a)所示：

和，分别对应着矩形两个方向上的光栅结构。由于两光栅结构的非对称性结构，传输的Jones矩阵也不同，分别对应

和

。则在输出端透射光的偏振态的幅度比和相位差分别对应着：

幅度比：     

                 (3)

             相位差：     

    (4)

通过上式输出偏振态的幅度比和相位差可以控制输出光的偏振态。

根据上述方案原理，我们给出了仿真数据说明该周期型矩形结构的有效性。二维光栅结构中，当周期为120nm时，入射波长为550nm。得出了光栅结构的占空比和透射率的变化图，如图3所示，所得结果和文献实验中所得的数据一致。当确定单方向x的占空比为60%后，将结构扩展到三维结构得到y方向上的占空比和透射率的变化图。可以看出三维的透射率要明显的高过二维结构。由于需要实现偏振分量之间的相位差为

，需满足等式(4)，通过测试后选择y方向的占空比为90%，。

根据以上分析得到，矩形的周期为120nm，x方向上的占空比为60%，y方向上的占空比为90%。首先分析结构的透射光谱，如图3所示。与经典的二维光栅结构相比，透射率增加了大约1倍，提高了透射光功率。另外采用此结构参数，我们实现了入射线偏振光到圆偏振光的转换，如图4所示，在入射光偏振角度在[25°，35°]区间内，出射光的可以看作为圆偏振态。从图中可以看出，当结构固定后，两个方向上的相位差也是一定值，入射光的偏振态变化只影响在x，y两个方向上分量大小。

综上所述，本发明的特征主要有以下两点：(1) 通过提出新型周期型矩形结构，实现对偏振态两个分量的控制输出，将二维光栅扩展到三维的矩形结构，同时提高了透射光强；(2)在实际应用中输入偏振态是未知的，该结构有类似经典偏振光学中双折射晶体的原理，通过加工封装后，可以通过对器件的旋转控制输出偏振态。

Claims (1)

1.一种表面等离子体输出偏振态的控制方法，表面等离子体的金属结构采用三维周期性矩形光栅结构，使入射光的偏振态分解为垂直两个方向上偏振分量；通过两个方向非对称的矩形光栅结构设计实现对两个偏振态的控制，以实现在输入态为线偏振态时输出态为圆偏振;矩形结构设计采用变换光栅的周期、占空比和槽深来控制单方向的偏振态;或者是结构经加工封装，通过旋转封装后器件来实现输入偏振态在两个方向上的分量大小，最终实现对输出偏振态的控制。

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