CN103236643A

CN103236643A - 一种宽带表面等离激元单向激发器

Info

Publication number: CN103236643A
Application number: CN2013101352963A
Authority: CN
Inventors: 廖慧敏; 李智; 张翔; 陈建军; 龚旗煌
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2013-04-18
Filing date: 2013-04-18
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2033-04-18
Also published as: CN103236643B

Abstract

本发明公开了一种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；以及设置在金属薄膜的表面的第一纳米沟槽和第二纳米沟槽；第一纳米沟槽和第二纳米沟槽的尺寸不同。通过操控两个纳米沟槽激发SPP相对强度和相位差，实现了SPP单向激发，而且通过将两个纳米沟槽的间距降低到激发的表面等离激元的波长的四分之三，使两个纳米沟槽间的干涉效应变得对波长的依赖不敏感，从而实现了带宽达到200nm左右的宽带SPP单向激发器。本发明的SPP单向激发器同时还具有高SPP激发效率、高消光比等高性能，和亚微米的超小尺寸，有利于高度集成，因此在超高集成度SPP光子回路中将获得广泛应用。

Description

一种宽带表面等离激元单向激发器

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，尤其涉及一种宽带表面等离激元单向激发器。

背景技术

表面等离激元（Surface Plasmon Polariton）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。为实现各种SPP应用，首先对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SPP单向激发器，即让激发出的SPPs向特定方向传播，这不仅可以提高该方向上的SPP激发效率，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，也可以实现SPP单向激发。但是，由于这些SPP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SPP场束缚，人们获得了带宽达到100nm的宽带SPP单向发射器，但是，介质薄膜的增加不仅缩短了SPP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，本发明提出了一种宽带表面等离激元单向激发器。

本发明的目的在于提供一种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；以及设置在金属薄膜的表面的第一纳米沟槽和第二纳米沟槽，两者的尺寸不同；第一纳米沟槽和第二纳米沟槽的尺寸不同。

金属薄膜的厚度≥400nm，材料采用金或银等贵金属。

在正入射的光共振激发下，金属薄膜的表面具有合适尺寸的单个纳米沟槽可以作为有效的表面等离激元激发器，向左右两个相反方向激发两束相同的SPPs。但是，由于激发时的对称性，由此激发的SPPs向左右两个方向的强度相等。为了获得SPP单向激发，设置两个不同尺寸的纳米沟槽同时激发，形成双纳米沟槽结构。在正入射的光激发下，第一和第二纳米沟槽分别向左右两个相反方向激发两束相同的SPPs，激发的SPP强度分别用复振幅A₁和A₂表示，A₁和A₂分别与第一和第二纳米沟槽的宽度和深度有关。一个纳米沟槽激发的SPPs可以向另一个纳米沟槽传播，部分发生透射，部分被反射，相应的SPP透射系数和反射系数用t₁、r₁、t₂、r₂表示。因此，在离开第一和第二纳米沟槽后，最终向左和向右传播的总的SPP复振幅A_L和A_R可以表示为：

A_L＝A₁+A₂t₁exp(ik_sppd)+A₁r₂t₁exp(ik_spp·2d) （1）

+A₂r₁r₂t₁exp(ik_spp·3d)+A₁r₂r₁r₂t₁exp(ik_spp·4d)+…

A_R＝A₂+A₁t₂exp(ik_sppd)+A₂r₁t₂exp(ik_spp·2d) （2）

+A₁r₂r₁t₂exp(ik_spp·3d)+A₂r₁r₂r₁t₂exp(ik_spp·4d)+…

其中，k_spp是SPP传播波矢。考虑到单个纳米沟槽一般表现出很高的SPP透射系数和很低的SPP反射系数，在一阶近似下，我们可以忽略多次反射项，而只考虑方程（1）（2）右边的前两项并近似认为t₁、t₂等于1。则方程（1）（2）变成：

A_L＝A₁+A₂exp(ik_sppd) （3）

A_R＝A₂+A₁exp(ik_sppd) （4）

另外，由于第一和第二纳米沟槽的间距d远小于SPP传播距离，SPPs经过距离d的传输损耗可以忽略，所以exp(ik_sppd)主要代表一个纯的相移因子。这样，为了获得A_L和A_R间最高的对比度，选择A₂=(±)i·A₁并且exp(ik_sppd)=(±)i，这可以给出A_L=0、A_R=2A₂或者A_L=2A₁、A_R=0，取决于前面两个括号中选择的正负号相同还是相反。相应的可以实现理想的向右或者向左的SPP单向激发，对应的消光比达到无穷大。物理上，上面选择的条件意味着两个纳米沟槽直接激发产生的SPPs具有相同的强度和一个π/2的相位差。采用有限元法，进行数值模拟计算，通过调节第一纳米沟槽和第二纳米沟槽的宽度和深度，使得第一和第二纳米沟槽直接激发产生的SPPs具有相同的强度和一个π/2的相位差。由第一和第二纳米沟槽直接激发的复振幅分别为A₁和A₂的SPPs经过传播一个间距d后，透射过另一个纳米沟槽的SPP复振幅分别为A₁e^iθ和A₂e^iθ，其中，θ=k_sppd，n为非负的整数。当传播的间距d=(n±1/4)λ_spp，λ_spp为SPP波长，即θ=±π/2时，其中的一个透射的SPPs刚好与另一个纳米沟槽直接激发的SPPs大小相等方向相反，二者正好互相抵消，使向该方向传播的总SPP强度为零；与此同时，在相反的方向上，另一个透射的SPPs与直接激发的SPPs大小相等方向相同，二者正好相干相长，因此在该方向上可以获得理想的SPP单向激发。

对于SPP单向激发器来说，除了SPP激发效率和消光比之外，工作带宽也是一个非常重要的参数。在某个固定的工作波长，虽然在优化深度后，双纳米沟槽结构SPP单向激发器的消光比总可以趋于无穷大，但是它们的波长响应却存在很大的差别。一般来说，消光比大于10dB对于很多实际应用来说已经足够，因此这里将SPP单向激发器的工作带宽定义为消光比大于10dB的波长范围。根据方程（1）和方程（2）可以看出，我们所提出的SPP单向激发器的波长响应主要取决于两方面因素：一方面是每个纳米沟槽自身激发、反射、透射SPP波长响应，这一因素并不随沟槽间距d改变；另一方面是两个间距为d的场源之间的纯干涉效应，可以用方程（1）和（2）中的传播相移因子exp(ik_sppd)表示，当间距d越小，该因子随波长的变化就越明显，给出的带宽就越宽。综合以上两方面因素，可以得出结论，即通常情况下，应该是当间距d越小，该SPP单向激发器的带宽就越宽。

但是，在d=1/4λ_spp下所出现的反常的带宽减小行为，其来源是近场准柱面波成分在通常SPP成分基础上的额外贡献。因此，所设计的SPP单向激发器在d=3/4λ_spp处的带宽最大，消光比大于10dB的带宽高达174nm。同时，在这一波长范围内，SPPs向其单向激发方向上的激发效率保持在大于1.15的高数值，而SPP单向激发器的横向尺寸只有670nm。即在亚波长的超小器件尺寸下同时实现了高激发效率、高消光比和超宽工作带宽，可以极大的方便该器件的实际应用。

本发明的优点：

本发明采用在金属薄膜的表面设置两个纳米沟槽，通过操控两个纳米沟槽激发SPP相对强度和相位差，实现了SPP单向激发，而且通过将两个纳米沟槽的间距降低到波长以下的超短距离，使两个纳米沟槽间的干涉效应变得对波长的依赖不敏感，从而实现了带宽达到200nm左右的宽带SPP单向激发器。本发明的SPP单向激发器同时还具有高SPP激发效率和高消光比等高性能，和亚微米的超小尺寸，有利于高度集成，因此在超高集成度SPP光子回路中将获得广泛应用。

附图说明

图1为本发明的宽带表面等离激元单向激发器的结构示意图；

图2为本发明的宽带表面等离激元单向激发器激发的SPP复振幅的矢量图；

图3为本发明的宽带表面等离激元单向激发器激发的SPP激发效率随间距d的曲线图，其中，（a）向左激发的SPP激发效率随间距d的曲线图，（b）为向右激发的SPP激发效率随间距d的曲线图，（c）为对应的消光比η_L/η_R的曲线图；

图4为本发明的宽带表面等离激元单向激发器分别在两个纳米沟槽的d=1/4λ_spp、3/4λ_spp、5/4λ_spp和7/4λ_spp时消光比随波长变化的曲线图；

图5（a）为本发明的宽带表面等离激元单向激发器在一个实验中的结构的扫描电镜图，（b）中的数据点给出了实验中在不同入射波长下测得的向左右激发的SPP消光比。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的宽带表面等离激元单向激发器包括：金属薄膜3；以及设置在金属薄膜的表面的第一纳米沟槽1和第二纳米沟槽2。第一和第二纳米沟槽的宽度分别为w₁和w₂，深度分别为h₁和h₂，以及两者的间距为d。w₁和w₂在0.1λ～0.3λ之间，λ为入射波长。

金属薄膜3采用金薄膜。为了获得A_L和A_R间最高的对比度，我们选择A₂=(±)i·A₁并且exp(ik_sppd)=(±)i，这可以给出A₂=i·A₁并且exp(ik_sppd)=i，或者A₂=-i·A₁并且exp(ik_sppd)=-i时，A_L=0、A_R=2A₂；以及A₂=i·A₁并且exp(ik_sppd)=-i，或者A₂=-i·A₁并且exp(ik_sppd)=i时，A_L=2A₁、A_R=0。物理上，上面选择的条件意味着第一和第二纳米沟槽直接激发产生的SPPs具有相同的强度和一个π/2的相位差，可以用图2中的实线矢量表示。经过传播一个间距d=(n±1/4)λ_spp后，透射过另一个纳米沟槽的SPPs可以用图2中的虚线矢量表示，它们相对实线矢量旋转一个相同的角度θ=k_sppd。如图2所示，当θ=π/2时，其中的第一纳米沟槽的透射SPPs（虚线矢量）刚好与第二纳米沟槽直接激发的SPPs（实线矢量）大小相等方向相反，二者正好互相抵消，使向左传播的总SPP强度为零；与此同时，在向右的方向上，第一纳米沟槽的透射SPPs与直接激发的SPPs大小相等方向相同，二者正好相干相长，因此在向右的方向上可以获得理想的SPP单向激发。

采用有限元软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟。首先计算入射波长λ=800nm下单个纳米沟槽的SPPs产生性质，作为一个典型的例子，将纳米沟槽的宽度固定在80nm（0.1λ）。计算结果表明，当纳米沟槽的深度变化时，SPP激发表现出明显的共振行为，最小的共振深度在92nm。按照之前的分析，选择两个非共振的纳米沟槽的深度h₁=67nm和h₂=134nm作为实现SPP单向激发的工作条件，在这两个深度下，第一和第二纳米沟槽刚好可以提供几乎相等的SPP激发强度和π/2的相位差，即A₂=i·A₁。图3（a）和图3（b）中的数据点分别显示了有限元法FEM计算模拟的第一和第二纳米沟槽向左和向右激发的SPP激发效率η_L和η_R随两个纳米沟槽的间距d的变化，这里，向某个方向传播的SPP激发效率定义为向该方向传播的SPP能流强度除以入射到两个纳米沟槽上的能流强度的结果。可以看到，在间距d=(n-1/4)λ_spp时，SPPs主要向左传播；在沟槽间距d=(n+1/4)λ_spp时，SPPs主要向右传播。图3（c）中显示了对应的消光比η_L/η_R（以dB为单位），可以看到在d=(n±1/4)λ_spp附近，消光比可以高达15dB。与此同时，向着SPP单向激发方向上传播的SPP激发效率高达1.5左右，即其能流是入射到两个纳米沟槽上的能流的1.5倍左右，比入射到两个纳米沟槽上的能流强度还要高。这说明同时具有高的SPP激发效率和高的消光比的SPP单向激发已经成功得以实现。

模拟结果中在间距d=(n±1/4)λ_spp处的消光比并没有像之前分析那样达到无穷大。原因是前面的分析中使用了近似，忽略了SPPs在纳米沟槽处的反射，严格的理论计算表明考虑了反射后，在间距处的消光比正好是约15dB，与模拟计算的结果一致。为了在包含反射效应的实际情况下获得趋于无穷大的消光比，可以在近似结果的基础上对几何参数进行微调优化，比如通过调整两个纳米沟槽的深度，可以优化两个沟槽激发SPP强度和相位差，总是可以在两个纳米沟槽的间距d=(n±1/4)λ_spp处使优化后的消光比趋于无穷大。以d=587nm，也就是d=3/4λ_spp间距为例，当纳米沟槽的深度优化为h₁=72nm和h₂=162nm时，消光比可以提高到约40dB的超高值，此时向左激发的SPP强度是向右激发SPP强度的约一万倍，接近理想的SPP单向激发。

对于SPP单向激发器来说，除了SPP激发效率和消光比之外，工作带宽也是一个非常重要的参数。通常情况下，应该是当间距d越小，该SPP单向激发器的带宽就越宽。图4给出了FEM计算模拟得到的两个纳米沟槽的间距为d=1/4λ_spp、3/4λ_spp、5/4λ_spp和7/4λ_spp时消光比随波长的变化，计算中以800nm为中心波长，首先对两个纳米沟槽的深度进行了优化，保证在800nm处基本达到接近理想的消光，然后在此参数基础上改变波长，得到消光比随波长的变化曲线。从图中可以得到，在d=1/4λ_spp、3/4λ_spp、5/4λ_spp和7/4λ_spp时的带宽分别为107、174、127和89nm，除了亚波长的最小的间距d=1/4λ_spp的情况，在其他几个间距下的带宽都满足间距越小带宽越大的规律，这一规律也是通常干涉型器件的基本规律。对于d=1/4λ_spp下所出现的反常的带宽减小行为，进一步的计算和研究结果表明，其来源是近场准柱面波成分在通常SPP成分基础上的额外贡献。在距离场源距离很近的时候，除了可以传播到远处的SPP成分之外，还有随距离增加而迅速衰减的近场准柱面波成分，该成分经过另一个纳米沟槽的散射，可以部分转化为SPPs，从而对总的SPP强度产生影响，最小间距d=1/4λ_spp的带宽反常缩减行为就是这一近场成分的额外影响造成的。综上所述，可以得出结论，所提出的SPP单向激发器在d=3/4λ_spp处的带宽最大，消光比大于10dB的带宽高达174nm。同时，在这一波长范围内，SPPs向其单向激发方向上的激发效率保持在大于1.15的高数值，而SPP单向激发器的横向尺寸只有670nm。即在亚波长的超小器件尺寸下同时实现了高激发效率、高消光比和超宽工作带宽，可以极大的方便该器件的实际应用。

在实验上，选择更大的纳米沟槽的宽度w₁=w₂=240nm（约0.3λ），这样实验上样品的加工更为容易。有限元计算模拟的结果表明，本发明提出的SPP单向激发器对一定范围的纳米沟槽的宽度都可以很好的工作，只要根据具体的纳米沟槽宽度对纳米沟槽的深度进行相应的调整即可。比如，对于目前的宽纳米沟槽情况（w₁=w₂=240nm,d=587nm），FEM计算模拟表明，只要将纳米沟槽深度调整为h₁=73nm、h₂=266nm，就可以获得和前面窄纳米沟槽情况类似的SPP单向激发性能，甚至工作带宽还略微增大到约210nm。

实验上，双纳米沟槽结构采用聚焦离子束FIB加工，所使用的金薄膜的厚度为450nm，金薄膜与玻璃的衬底间有30nm的Ti作为粘附层。图5（a）给出了实验中的结构的扫描电镜SEM图：首先，用聚焦离子束FIB刻一条长15微米的浅纳米沟槽；然后紧靠浅纳米沟槽的下半部分刻一条长7.5微米的深纳米沟槽，这样下半部分结构就构成了双纳米沟槽结构，而上半部分的单个浅纳米沟槽可以作为参考结构。测量得到的几何参数约为w₁=250nm、w₂=220nm、h₁=100nm、h₂=240nm和d=565nm。在双纳米沟槽结构的两边距离为10微米处分别用FIB刻一条长15微米的纳米缝，纳米缝贯穿金膜，可用来将中间的双纳米沟槽结构的激发的SPPs部分转化为光，从而通过测量远场探测到的光信号强度就可以直接获得向左右两边传播的SPP相对强度。

测量过程中，从激光器出来的p-偏振激光束（钛宝石激光器，波长从700nm到950nm连续可调）从样品的正面正入射到双纳米沟槽结构上，光斑直径被聚焦为约3微米。双纳米沟槽结构激发的SPPs向左右两边传播，部分通过两边观察用的纳米缝转化为光并散射到衬底面，这部分散射到衬底中的光被物镜收集，然后成像到彩色CCD上。通过测量左右两边观察用的纳米缝的散射光强可以直接得到双纳米沟槽结构向左右两边激发的SPP强度比，也就是消光比。图5（b）中的数据点给出了实验中在不同入射激光波长下测得的向左右激发的SPP消光比，从中可以估计出消光比大于10dB的带宽约为200nm。图5（b）中的插图显示了几个典型激光波长下的CCD图像，可以明显看出左右两边的SPP强度差别很大，SPPs主要向左激发。测量的实验结果也和有限元计算模拟的结果符合的很好，只有个别消光比非常大的点不像模拟预测的那么高，这主要是由不够理想的样品加工造成的。由于实验中采用了相对比较简单的样品加工方法，样品结构有明显的不平整，特别是纳米沟槽中，这些不平整的小起伏结构将会在一定程度上降低样品性能。这个问题可以通过采用其他更复杂的样品加工工艺解决，如采用模板剥离法（template stripping method），可以加大提高样品的平整度。

总之，和已有的其他SPP单向激发器相比，本发明不仅同时提供了高SPP激发效率(>1.15)、高消光比（对某一特定波长>40dB）和超小的样品尺寸（横向尺寸约850nm），而且提供了约200nm的超宽工作带宽，这种宽度特性可以极大的方便上述器件的实际应用。这种高性能的宽带SPP单向激发器有可能在超高集成度SPP光子回路中获得广泛应用。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims

1.一种宽带表面等离激元单向激发器，其特征在于，所述宽带表面等离激元单向激发器包括：金属薄膜（3）；以及设置在金属薄膜的表面的第一纳米沟槽（1）和第二纳米沟槽（2），两者的尺寸不同；所述第一纳米沟槽（1）和第二纳米沟槽（2）之间的间距d满足d=3/4λ_spp，其中，λ_spp为激发的表面等离激元的波长。

2.如权利要求1所述的宽带表面等离激元单向激发器，其特征在于，所述第一和第二纳米沟槽的宽度在0.1λ～0.3λ之间，λ为入射波长。

3.如权利要求1所述的宽带表面等离激元单向激发器，其特征在于，采用有限元法，进行数值模拟计算，调节第一纳米沟槽和第二纳米沟槽的宽度和深度，使得第一和第一纳米沟槽直接激发产生的SPPs具有相同的强度和一个π/2的相位差。

4.如权利要求1所述的宽带表面等离激元单向激发器，其特征在于，所述金属薄膜的厚度≥400nm，材料采用金或银等贵金属。