CN104730625B - 基于非对称纳米沟槽结构的SPPs模式转换器及其转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非对称纳米沟槽结构的SPPs模式转换器及其转换方法。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，形成非对称纳米沟槽结构；通过操控共振结构的附加纳米沟槽的深度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，从而实现了不同模式表面等离激元的效率可控转换；模式转换的效率最多可以高达90％。本发明为进一步通过一阶和二阶波导模式的干涉实现对总的电磁场分布的操控提供了极大的便利；同时该表面等离激元模式转换器还具有几百纳米的超小尺寸，有利于高度集成，因此在超高集成度SPPs光子回路中将获得广泛应用。

Description

基于非对称纳米沟槽结构的SPPs模式转换器及其转换方法

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。

设置在金属薄膜表面的主纳米沟槽可以看作是沿竖直方向的MDM波导，主纳米沟槽中的空气作为介质层，在合适的宽度下，该波导中支持沿竖直方向传播的一阶和二阶波导模式的SPPs。当以电场方向垂直于主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的槽口时，由于对称模式的一阶波导模式的模场分布与紧聚焦高斯光在正入射下的激发光场分布匹配程度很高，一阶波导模式可以被正入射的紧聚焦高斯光高效激发，最多有超过60％的入射光能量可以被转换为主纳米沟槽中一阶波导模式的能量。与此相反，主纳米沟槽中的二阶波导模式由于其模场在空间上为反对称分布，与对称分布的正入射的紧聚焦高斯光的场分布交叠积分等于零，因此二阶波导模式的直接激发效率为零。借助一定的高效表面等离激元模式转换器，可以将一阶波导模式转换为二阶波导模式，从而实现对二阶波导模式的高效激发，方便进一步通过一阶和二阶波导模式的干涉对总的电磁场分布进行调控。为了实现高效的表面等离激元模式转换，本发明提出利用共振的附加结构。在主纳米沟槽底部的一侧加入一个共振结构的附加纳米沟槽，形成非对称纳米沟槽结构，这种结构可以实现一阶波导模式向二阶波导模式的高效转换，从而实现对二阶波导模式的高效激发。以在主纳米沟槽的底部右侧设置附加纳米沟槽为例，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之后，可以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进一步传播到附加纳米沟槽的底部并被底部的金属以接近于1的反射率反射，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。同时，由于附加纳米沟槽是一个封闭式的共振腔结构，本身的损耗很小，因此这种模式转换的效率可以很高，最多有90％的入射波导模式能量可以被转换为另一个波导模式的能量；并且附加纳米沟槽的共振特性，使得我们可以通过控制附加纳米沟槽的深度控制共振强度，从而方便的控制模式转换的效率，其效率可以在0～90％之间连续变化，极大地方便了这种表面等离激元模式转换器的实际使用。相比之下，基于非共振结构的模式转换则一方面效率较低，一方面难以方便的控制转换效率。

本发明的又一个目的在于提供一种表面等离激元模式转换器用作单向激发器和分束器的用途。

本发明的优点：

本发明采用在金属薄膜的表面设置非对称纳米沟槽结构，通过操控共振结构的附加纳米沟槽的深度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，从而实现了不同模式表面等离激元的效率可控转换。同时，由于采用共振结构，模式转换的效率最多可以高达90％。本发明可以实现对主纳米沟槽中二阶波导模式的高效激发，为进一步通过一阶和二阶波导模式的干涉实现对总的电磁场分布的操控提供了极大的便利；同时该表面等离激元模式转换器还具有几百纳米的超小尺寸，有利于高度集成，因此在超高集成度SPPs光子回路中将获得广泛应用。

附图说明

图1为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器的结构和沟槽内一阶和二阶波导模式激发的示意图，其中，(a)为模式的示意图，(b)为传播的示意图；

图2为本发明的表面等离激元模式转换器中主纳米沟槽中的向下传播的一阶波导模式向向上传播的二阶波导模式的转换系数的模|R₂₁|以及剩余的向上传播的一阶波导模式的系数的模|R₁₁|随附加纳米沟槽的深度h₂的变化。

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，本实施例的基于非对称纳米沟槽结构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宽的主纳米沟槽；在主纳米沟槽的底部右侧设置有窄的附加纳米沟槽，形成非对称纳米沟槽结构。主纳米沟槽和附加纳米沟槽的宽度分别为w₁和w₂，深度分别为h₁和h₂。λ为入射波长，w₁在0.4λ～0.9λ之间，以保证在入射波长下主纳米沟槽中只有一阶波导模式1st和二阶波导模式2nd是传播模式；w₂在0.05λ～0.3λ之间，以保证在入射波长下附加纳米沟槽中只有一阶波导模式1’st是传播模式。

金属薄膜采用金薄膜。采用有限元软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟，模拟中的金的介电常数随波长的变化关系引自文献，并且用插值法展开。首先计算入射波长为λ＝800nm下的SPPs激发性质。作为一个典型的例子，将主纳米沟槽的宽度w₁固定在550nm(～0.7λ)，将附加纳米沟槽的宽度w₂固定在200nm(～0.25λ)。设置主纳米沟槽中以向下传播的一阶波导模式入射，并且将该模式传播到主纳米沟槽底部时的能流归一化为1。则该波导模式将激发附加纳米沟槽中的一阶波导模式，并且附加纳米沟槽中的一阶波导模式经过附加纳米沟槽底部的金属以接近于1的反射率反射之后向上传播，并在附加纳米沟槽的槽口进一步激发出向上传播的主纳米沟槽中的二阶波导模式。也就是说，在附加纳米沟槽中的一阶波导模式的辅助之下，主纳米沟槽中向下传播的一阶波导模式可以成功转换为向上传播的二阶波导模式。图2中的虚线显示了有限元法计算模拟的主纳米沟槽中的向下传播的一阶波导模式向向上传播的二阶波导模式的转换系数的模|R₂₁|随附加纳米沟槽的深度h₂的变化，而实线则显示了对应的剩余下来的向上传播的一阶波导模式的系数的模|R₁₁|随附加纳米沟槽的深度h₂的变化。这里，不同波导模式的场分布均以在主纳米沟槽底部的能流等于1进行归一化，因此转换系数的模的平方|R₂₁|²直接代表了一阶波导模式向二阶波导模式的能量转换效率，而|R₁₁|²则代表了剩余的一阶波导模式的能量比例。从图2中可以看出，随着附加纳米沟槽的深度h₂的变化，一阶波导模式向二阶波导模式的转换系数的模|R₂₁|在0～0.95之间连续变化，因此，通过改变附加纳米沟槽的深度h₂可以方便的控制模式的转换效率。并且上述模式转换随附加纳米沟槽的深度h₂表现出明显的周期行为，其周期约为354nm，与附加纳米沟槽中一阶波导模式的半波长353nm基本一致，说明附加纳米沟槽表现出明显的法布里-珀罗FP腔共振行为。得益于这种共振行为，|R₂₁|最大可以高达0.95，也就是说，主纳米沟槽中入射的一阶波导模式最多有0.95²＝90％的能量可以转换为主纳米沟槽中的二阶波导模式。进一步的模拟还表明，对于腰宽480nm的正入射的紧聚焦高斯光，有超过60％的入射光能量激发为主纳米沟槽中一阶波导模式的能量，再考虑到高达90％的高效模式转换，这意味着在非对称纳米沟槽结构中，有超过54％的正入射高斯光能量可以激发为主纳米沟槽中二阶波导模式的能量，考虑到整个结构的尺寸只有几百纳米，这一绝对激发效率非常出色。

总之，与现有技术的表面等离激元模式转换器相比，本发明不仅模式转换效率高(最高能量转化率可达90％)，而且模式转换效率可以方便调节，同时器件尺寸超小(横向尺寸约550nm)，这种超小尺寸非常便于实现器件的高度集成。这种高性能的高效表面等离激元模式转换器有可能在超高集成度SPPs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 (6)

1.一种表面等离激元模式转换器，其特征在于，所述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；附加纳米沟槽中的一阶波导模式激发主纳米沟槽中的二阶波导模式；通过控制附加纳米沟槽的深度，从而控制共振强度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，从而实现控制模式转换效率。

2.如权利要求1所述的表面等离激元模式转换器，其特征在于，所述金属薄膜的厚度≥400nm；材料采用金或银的贵金属。

3.如权利要求1所述的表面等离激元模式转换器，其特征在于，入射波长为λ，主纳米沟槽的宽度w₁满足0.4λ≤w₁≤0.9λ。

4.如权利要求1所述的表面等离激元模式转换器，其特征在于，入射波长为λ，附加纳米沟槽的宽度w₂满足0.05λ≤w₂≤0.3λ。

5.一种表面等离激元模式转换方法，其特征在于，所述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。

6.一种权利要求1所述的表面等离激元模式转换器用作单向激发器或分束器的用途。