CN104090449B - 双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在金属‑电介质‑金属（Metal‑Dielectric‑Metal,MDM）波导中利用双泵浦光干涉实现表面等离激元（surface plasmon polariton,SPP）带隙的宽带调谐的方法。其原理是通过在MDM中引入Kerr非线性电介质层，利用金属光栅将两束泵浦光耦合至该波导中反向传输发生干涉，干涉条纹导致Kerr电介质折射率发生周期性调制，从而形成SPP带隙；同时，通过改变泵浦光的干涉行为可以实现SPP带隙从可见至近红外波段的宽带调谐。本发明提供的SPP带隙调控的方法简单可靠、且能够在同一个结构中实现SPP带隙的宽带调谐，为MDM器件应用开拓新途径。

Description

双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法
技术领域
本发明涉及表面等离激元光子学领域，具体涉及一种双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法。
背景技术
当可见或近红外光照射在金属-电介质分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，形成沿着金属表面传播的电子疏密波，即表面等离激元(Surface plasmonpolariton，SPP)。SPP的横向光场具有高度局域性，能够把光能量限制在纳米尺度内进行传输，从而可望突破光学衍射极限，在未来高密度全光集成中具有重要的应用前景。目前，人们已设计出多种SPP波导结构，其中MDM波导由于具有较小的模场尺寸、可接受的传输距离、易于与光纤及硅基平板波导耦合、易于制备等优点，受到人们广泛的关注。
将MDM波导优良的模场分布特性及光子带隙效应相结合，人们开展了大量的研究工作。通过在MDM波导中的电介质层中引入周期性微结构，例如利用两种或多种不同折射率材料的周期性排列(折射率调制)，或者周期性改变MDM波导中电介质层的宽度(宽度调制)等，均可实现对波导有效介电常数的调制，从而形成SPP带隙，实现对SPP传输行为的有效控制，进而设计出高性能的Bragg反射器、SPP滤波器等无源器件。进一步地，为了实现对SPP的主动调控，人们又将Kerr非线性介质引入MDM波导的带隙结构中，利用泵浦光引起的折射率改变来实现带隙的移动，并由此设计了SPP光开关、调制器等。
然而，人们在开展基于带隙效应的非线性SPP器件研究时，遇到以下困难：为了形成SPP带隙，通常需要在纳米尺寸的MDM波导中制备周期性排列的非线性材料结构，工艺难度大、制备精度不易控制、重复性差；即便利用复杂的制备工艺在MDM波导中制备出这种折射率周期性调制的人工微结构，在泵浦光的作用下，非线性折射率的变化对SPP带隙的移动依然有限，一般仅有十几纳米，从而此类基于带隙移动的非线性SPP器件的操作带宽较窄(例如，若SPP带隙在1550nm波段，只能实现1550nm附近十几nm波长范围内的开关响应，而对于其 它波长，比如1310nm、1064nm等，均无法实现开关操作)，且非线性前后的对比度低、开关能量高，不利于实际应用。因此，若能设计一种新的SPP带隙的产生方法，一方面可以降低样品制备难度，另一方面能够实现SPP带隙在可见及近红外波段的宽带可调，将具有非常重要的科学意义及实用前景。
发明内容
本发明的目的在于针对当前基于SPP带隙效应的非线性MDM波导器件面临的纳米样品制备困难、带隙不易调节等问题，提供一种双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于，包括有金属-电介质-金属三层波导结构，用于构建表面等离激元的传输通道；两个完全相同的金属-介质耦合光栅，用于分别实现双泵浦光与纳米波导的高效耦合；所述的电介质层为Kerr非线性材料，其折射率随着泵浦光强度发生改变；所述的两个耦合光栅分别位于波导的上层金属表面的左右两端，用于将两束泵浦光耦合至波导中反向传输，在中间电介质层中形成纵向干涉驻波场；所述的双泵浦光形成的干涉驻波场对电介质层的折射率进行正弦或余弦的周期性调制，从而实现表面等离激元带隙；通过改变双泵浦光的波长，实现表面等离激元带隙从可见到近红外波段的宽带调谐。
所述的双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于，所述的两束泵浦光具有相同的波长，且初始相位差固定。
所述的双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于，所述的Kerr非线性材料为金属纳米颗粒掺杂的聚合物材料，优选金纳米颗粒掺杂的PMMA薄膜，利用金属纳米颗粒的局域场增强特性来提高其三阶非线性折射率。
所述的双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于，所述的中间电介质层的厚度为150nm～300nm，两边金属层的厚度为600nm～1200nm。
所述的双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于， 所述的金属-介质耦合光栅的厚度为400nm～600nm，介质折射率及光栅周期则需根据不同泵浦光波长进行优化设计。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明通过优化设计MDM波导结构及金属-介质耦合光栅参数，实现双泵浦光在MDM波导中间介质层的干涉，并利用泵浦光干涉强度的纵向分布对Kerr介质的折射率进行周期性(正弦或余弦)调制，形成SPP带隙，极大避免了实验上利用微加工手段进行微纳周期性样品制备的困难；同时，通过改变泵浦光的波长，可以控制双泵浦光在MDM波导中的干涉行为(包括调制周期及调制深度等)，实现SPP带隙从可见至近红外波段的宽带调谐。
附图说明
图1为本发明的基本结构示意图。
图2为泵浦光波长为1550nm时双泵浦光干涉形成的稳定驻波场下Kerr介质层的折射率调制情况示意图。
图3为不同泵浦光波长下的SPP带隙比较示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、结构安排、所达成的目的及效果，下面将结合一具体实例并配合附图予以详细说明。
本发明的结构示意图如图1所示，双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，包括有金属1-电介质3-金属2三层波导结构，用于构建表面等离激元的传输通道，通常地，1和2为同一种金属材料；两个完全相同的金属-介质耦合光栅4，用于分别实现双泵浦光与纳米波导的高效耦合；电介质3为Kerr非线性材料，其折射率随着泵浦光强度发生改变；两个耦合光栅4分别位于波导的上层金属1表面的左右两端，用于将两束泵浦光耦合至波导中反向传输，在中间电介质层中形成纵向干涉驻波场；双泵浦光形成的干涉驻波场对电介质3的折射率进行正弦或余弦的周期性调制，从而实现表面等离激元带隙；通过改变双泵浦光的波长，实现表面等离激元带隙从可见到近红外波段的宽带调谐。
在具体实施中，金属采用具有较小吸收损耗的Ag，非线性材料选用金纳米颗粒掺杂的PMMA薄膜，其线性折射率为n0＝1.49，三阶非线性折射率 n2＝1×10-9cm2/W；上下两金属层的厚度均为1000nm，Kerr介质层的厚度为250nm，设计金属-介质耦合光栅的耦合效率达到20％以上。经由耦合光栅耦合至MDM波导中的两束泵浦光在中间介质层中反向传输，发生干涉，形成驻波场，该驻波场对Kerr介质折射率产生周期性调制；同时，该调制后的折射率分布将反过来对泵浦光在MDM波导中的传输特性产生影响，形成新的驻波场；新驻波场重新调制Kerr介质层的折射率，如此反复，最后将形成一个稳定的驻波场分布。不失一般性，首先，假定泵浦光波长为1550nm，初始相位差为0，强度为100MW/cm2，利用时域有限差分方法(Finite-Difference Time-Domain，FDTD)多次迭代计算得到稳定干涉驻波场，在该驻波场的作用下，Kerr介质的折射率发生如图2所示的周期性调制；进而计算得到该正弦折射率调制下的SPP带隙，如图3实线所示。由此可见，通过合适的设置入射泵浦光的波长和强度，可以实现MDM中Kerr非线性材料介质折射率的有效调制，从而形成SPP带隙。其次，通过改变泵浦光波长，SPP带隙将发生移动，如图3所示，将泵浦光波长分别设置为1064nm，1300nm及1550nm，其SPP带隙的中心波长分别移动至1125nm，1385nm和1660nm，从而在同一个MDM结构中实现了SPP带隙的宽带调谐。
显然，本领域的技术人员可以对本发明双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。因此，倘若任何修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于，包括有金属-电介质-金属三层波导结构，用于构建表面等离激元的传输通道；两个完全相同的金属-介质耦合光栅，用于分别实现双泵浦光与纳米波导的高效耦合；所述的电介质层为Kerr非线性材料，其折射率随着泵浦光强度发生改变；所述的两个耦合光栅分别位于波导的上层金属表面的左右两端，用于将两束泵浦光耦合至波导中反向传输，在中间电介质层中形成纵向干涉驻波场；所述的双泵浦光形成的干涉驻波场对电介质层的折射率进行正弦或余弦的周期性调制，从而实现表面等离激元带隙；通过改变双泵浦光的波长，实现表面等离激元带隙从可见到近红外波段的宽带调谐。
2.根据权利要求1所述的双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于，所述的两束泵浦光具有相同的波长，且初始相位差固定。
3.根据权利要求1所述的双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于，所述的Kerr非线性材料为金属纳米颗粒掺杂的聚合物材料。
4.根据权利要求3所述的双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于，所述的Kerr非线性材料为金纳米颗粒掺杂的PMMA薄膜，利用金属纳米颗粒的局域场增强特性来提高其三阶非线性折射率。
5.根据权利要求1所述的双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于，所述的中间电介质层的厚度为150nm～300nm，两边金属层的厚度为600nm～1200nm。
6.根据权利要求1所述的双泵浦光干涉实现表面等离激元带隙宽带调谐的方法，其特征在于，所述的金属-介质耦合光栅的厚度为400nm～600nm，介质折射率及光栅周期则需根据不同泵浦光波长进行优化设计。
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