CN104733998B

CN104733998B - 基于非对称纳米沟槽结构宽带SPPs单向激发器及控制方法

Info

Publication number: CN104733998B
Application number: CN201510158732.8A
Authority: CN
Inventors: 李智; 廖慧敏; 姚文杰; 刘尚; 孙成伟; 陈建军; 龚旗煌
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2017-06-27
Anticipated expiration: 2035-04-03
Also published as: CN104733998A

Abstract

本发明公开了一种基于非对称纳米沟槽结构宽带SPPs单向激发器及控制方法。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，形成非对称纳米沟槽结构；通过操控结构中主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度调控所激发SPPs的相对振幅和相位差，实现了SPPs的单向激发，进一步，使纳米沟槽内不同模式之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220nm的宽带SPPs的单向激发器。本发明的SPPs的单向激发器同时还具有高SPPs激发效率和高消光比等高性能，和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宽带SPPs单向激发器及控制方法

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；

5)主纳米沟槽中的二阶波导模式进一步向上传播到主纳米沟槽的槽口，并在主纳米沟槽的槽口激发金属表面的表面等离激元SPPs，在金属表面所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；

6)同时调整主纳米沟槽的深度h₁和附加纳米沟槽的深度h₂，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，SPPs的单向激发的相位和振幅条件同时得到满足，从而获得SPPs的单向激发。

其中，在步骤6)中，通过调整主纳米沟槽的深度h₁改变主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式之间的相位差，从而控制这两种模式在金属表面所激发的SPPs之间的相位差；通过改变h₂改变附加纳米沟槽中一阶波导模式所激发的主纳米沟槽中二阶波导模式的强度，控制主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式的相对强度，从而控制这两种模式在金属表面所激发的SPPs之间的相对振幅。

金属薄膜的厚度≥400nm；材料采用金或银等贵金属。

在正入射的紧聚焦高斯光激发下，金属薄膜表面的合适尺寸的纳米沟槽可以作为有效的表面等离激元激发器，以很高的效率向左右两个相反方向激发两束强度相同的SPPs。但是，由于正入射激发时激发光的空间对称性，纳米沟槽中只有对称模式的一阶波导模式可以被激发。该波导模式被纳米沟槽底部的金属以接近于1的反射率反射之后，进一步传播到沟槽口并在沟槽的槽口激发金属表面的SPPs，由该对称模式的一阶波导模式所激发的SPPs向左右两个方向的强度相等，因此无法获得单向激发。

设置在金属薄膜表面的主纳米沟槽及主纳米沟槽的底部一侧的附加纳米沟槽，形成非对称纳米沟槽结构，这种结构可以实现SPPs的单向激发。以在主纳米沟槽底部右侧设置附加纳米沟槽为例，当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的槽口时，主纳米沟槽中的对称模式的一阶波导模式首先被激发。该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，主纳米沟槽中的二阶波导模式进一步向上传播到主纳米沟槽的槽口并激发金属表面的SPPs。金属表面的SPPs主要有三种不同的来源，分别是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。其中，正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式由于是对称模式，这两种模式所激发的SPPs对于左右两个方向来说振幅相等、相位相同；而主纳米沟槽中的二阶波导模式由于是反对称模式，该模式在金属表面激发的SPPs对于两个方向来说振幅相等、相位相反。因此，在合适的参数下，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某一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在同侧激发的SPPs刚好振幅相等、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，形成高效的SPPs的单向激发。

具体的合适条件可以通过调整主纳米沟槽的深度h₁和附加纳米沟槽的深度h₂来获得。由于主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式具有不同的传播常数，改变主纳米沟槽的深度h₁改变主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式之间的相位差，从而控制这两种模式在金属表面所激发的SPPs之间的相位差。由于附加纳米沟槽的深度h₂可以控制附加纳米沟槽中一阶波导模式的共振强度，通过改变h₂就可以改变该模式所激发的主纳米沟槽中二阶波导模式的强度，控制主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式的相对强度，从而控制这两种模式在金属表面所激发的SPPs之间的相对振幅。同时调整主纳米沟槽的深度h₁和附加纳米沟槽的深度h₂就可以使SPPs的单向激发的相位和振幅条件同时得到满足，从而获得高效的SPPs的单向激发。

由于非对称纳米沟槽结构在正入射紧聚焦高斯光的直接照射下激发SPPs，属于反射型激发，相比于透射型激发SPPs的纳米狭缝结构，可以给出更高的SPPs激发效率。对于腰宽480nm的正入射的紧聚焦高斯光，最多有30％的入射光能量可以被非对称纳米沟槽结构转变为单向激发的SPPs的能量，考虑到非对称纳米沟槽结构的横向尺寸只有几百纳米，这一绝对能量转化效率已经相当出色。

对于SPPs的单向激发器来说，除了SPPs的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。对于非对称纳米沟槽结构，由于SPPs的单向激发是通过不同波导模式所激发的SPPs之间的干涉所实现，因此其工作带宽主要取决于不同波导模式之间的相位差对于波长的改变是否敏感。主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度越浅，波导模式传播所经历的相移越小，相应的，在波长发生改变时，波导模式的传播相移改变量也越小，工作带宽就越大。因此，在不同的SPPs的单向激发条件中，选择主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度最浅的一组参数，就可以获得最大的工作带宽，消光比大于10的带宽可以达到220nm。较浅的沟槽深度在实验中也更为易于加工。同时，在这一波长范围内，SPPs向其单向激发方向上的绝对激发效率保持在大于15％的高数值，而SPPs的单向激发器的横向尺寸只有几百纳米。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非对称纳米沟槽结构，通过操控结构中主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度调控所激发SPPs的相对振幅和相位差，实现了SPPs的单向激发。而且通过选择最小的主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度，使纳米沟槽内不同模式之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220nm的宽带SPPs的单向激发器。本发明的SPPs的单向激发器同时还具有高SPPs激发效率和高消光比等高性能，和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宽带表面等离激元单向激发器的示意图，其中，(a)为模式的示意图，(b)为传播的示意图；

图2为本发明的非对称纳米沟槽结构向左右两边激发的SPPs强度和消光比随主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度h₁和h₂的变化图，其中，(a)为向左激发的SPPs强度随h₁和h₂的变化图，(b)为向右激发的SPPs强度随h₁和h₂的变化图，(c)为对应的消光比随h₁和h₂的变化图；

图3为本发明的非对称纳米沟槽结构在典型深度下所散射的磁场强度的分布图，其中，(a)为h₁和h₂分别为79nm和52nm时磁场强度的分布图，(b)为h₁和h₂分别为220nm和260nm时磁场强度的分布图；

图4为本发明的非对称纳米沟槽结构在金属表面所激发的SPPs的三种主要不同来源的原理图，其中，(a)为三种主要SPPs来源的示意图，(b)为不同来源的SPPs的振幅和相位的矢量图；

图5为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在纳米沟槽深度h₁和h₂分别为79nm和52nm时，(a)向左和向右激发的SPPs的强度随入射光波长变化的曲线图，(b)消光比随波长变化的曲线图；

图6(a)为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在一个实验中的结构的扫描电镜图，(b)为非对称纳米沟槽结构放大的扫描电镜图(c)为实验中在不同入射波长下测得的向左和向右激发的SPPs的消光比。

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，本实施例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)。图2(a)和图2(b)分别显示了有限元法计算模拟的非对称纳米沟槽结构向左和向右激发的SPPs强度随主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度h₁和h₂的变化，这里，向某个方向激发的SPPs强度定义为向该方向传播的SPPs能流除以入射到非对称纳米沟槽的槽口的能流。可以看到，每个向左激发的SPPs强度的峰大致对应向右激发的SPPs强度的谷，反过来，每个向右激发的SPPs强度的峰也大致对应向左激发的SPPs强度的谷，这说明在合适的沟槽深度h₁和h₂之下，向左和向右的SPPs的单向激发都可以实现。图2(c)中显示了对应的消光比，定义为向右激发的SPPs强度除以向左激发的SPPs强度。可以看到，在合适的沟槽深度h₁和h₂之下，消光比可以高达10⁴，说明实现了向右的SPPs的单向激发。作为一个典型的例子，图3(a)显示了在主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度h₁和h₂分别为79nm和52nm时，非对称纳米沟槽结构所散射的磁场强度分布图，其中|H_z|表示非对称纳米沟槽结构所散射的磁场强度，可以直观的看到向左的SPPs强度接近于零，也就是说实现了接近于理想的向右的SPPs的单向激发，进一步的模拟结果表明，对于腰宽480nm的正入射的紧聚焦高斯光，有21％的入射光能量被散射为向右激发的SPPs能量。类似的，在其他的合适的沟槽深度h₁和h₂之下，消光比也可以达到10^–4，这说明向右的SPPs强度接近于零，实现了向左的SPPs的单向激发。作为一个典型的例子，图3(b)显示了在沟槽深度h₁和h₂分别为220nm和260nm时，非对称纳米沟槽结构所散射的磁场强度|H_z|的分布图，可以直观的看到向右的SPPs的强度接近于零，也就是说实现了接近于理想的向左的SPPs的单向激发，进一步的模拟结果表明，对于腰宽480nm的正入射的紧聚焦高斯光，有31％的入射光能量被散射为向左激发的SPPs的能量。这说明非对称纳米沟槽结构可以同时实现具有高的SPPs激发效率和高的消光比的SPPs的单向激发，并且通过选择合适的沟槽深度，既可以实现向右的SPPs的单向激发也可以实现向左的SPPs的单向激发。

为了进一步澄清上述SPPs的单向激发的物理机制，图4(a)显示了在金属表面的非对称纳米沟槽结构所激发的总SPPs包括三种来源：分别是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。其中，正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式由于是对称模式，这两种模式所激发的SPPs对于左右两个方向来说振幅相等、相位相同，在图4(a)中在左右两侧用圆圈中的叉号表示，说明左右两边的磁场方向都是垂直于纸面并指向里；而主纳米沟槽中的二阶波导模式由于是反对称模式，该模式在金属表面激发的SPPs对于左右两个方向来说振幅相等、相位相反，在图4(a)中在左右两侧分别用圆圈中的圆点号和圆圈中的叉号表示，说明左边的磁场方向是垂直于纸面并指向外，而右边的磁场方向是垂直于纸面并指向里。图4(b)用矢量图的形式直观显示了对应于图3(a)中的参数情况下计算所得到的不同SPPs来源的振幅和相位，其中矢量的长短反应不同SPPs来源的振幅，而矢量的方向对应于不同SPPs来源的相位。其中点线箭头和实线箭头分别对应于正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式所激发的SPPs，可以看到，对于左右两个方向来说，两个点线箭头指向相同的方向，而两个实线箭头也指向相同的方向，说明这两种情况下所激发的SPPs对于左右两个方向来说相位相同。虚线箭头对应于主纳米沟槽中的二阶波导模式所激发的SPPs，可以看到，对于左右两个方向来说，两个虚线箭头指向相反的方向，说明主纳米沟槽中的二阶波导模式所激发的SPPs对于左右两个方向来说相位相反。对于向左方向，虚线箭头与点线箭头和实线箭头之和刚好互相抵消，三种SPPs来源的矢量和接近于零，因此导致了向左激发的SPPs消光；与此同时，对于向右方向，虚线箭头与点线箭头和实线箭头之和刚好相干相长，因此导致了向右的高效SPPs的单向激发。这一结果清楚反映了不同模式之间的干涉，特别是反对称模式的二阶波导模式的有效激发对于实现SPPs的单向激发的核心作用。

对于SPPs的单向激发器来说，除了SPPs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。图5(a)给出了计算模拟得到的在主纳米沟槽宽度w₁为550nm、纳米沟槽深度h₁和h₂分别为79nm和52nm时，也就是在可以获得SPPs单向激发的最小沟槽深度下，非对称纳米沟槽结构向左和向右激发的SPPs的强度随入射光波长的变化，可以看到，在很宽的波长范围内，向右激发的SPPs的强度始终远远大于向左激发的SPPs的强度，说明实现了宽带的SPPs的单向激发。图5(b)给出了相应的消光比随波长的变化，可以看到，消光比大于10的带宽高达222nm。这一宽带响应主要来源于小的纳米沟槽深度。对于非对称纳米沟槽结构，由于SPPs的单向激发是通过不同波导模式所激发的SPPs之间的干涉所实现，因此其工作带宽主要取决于不同波导模式之间的相位差对于波长的改变是否敏感。主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度越浅，波导模式传播所经历的相移越小，相应的，在波长发生改变时，波导模式的传播相移改变量也越小，工作带宽就越大。作为对比，如果选择另一组同样可以实现向右SPPs的单向激发但纳米沟槽较深的参数，即纳米沟槽深度h₁和h₂分别为550nm和440nm时，计算模拟表明消光比大于10的带宽将降低为只有50nm。因此，选择较浅的纳米沟槽深度是获得宽带响应的关键。并且，较浅的沟槽深度在实验中也更为易于加工。对于纳米沟槽深度h₁和h₂分别为79nm和52nm的非对称纳米沟槽结构，计算模拟结果表明，在消光比大于10的波长范围内，SPPs向其单向激发方向上的绝对激发效率保持在大于15％的高数值，而SPPs的单向激发器的横向尺寸只有550nm。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。

实验上，非对称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6(a)给出了实验中所加工的结构的扫描电镜SEM图：首先，用聚焦离子束FIB在图中间的下半部分刻一条长3微米的主纳米沟槽；然后在主纳米沟槽的底部右侧继续刻一条长3微米的附加纳米沟槽，这样这两个结构就构成了非对称纳米沟槽结构，图6(b)给出了非对称纳米沟槽结构放大后的扫描电镜SEM图；最后在图中间的上半部分刻一个宽度100nm的浅纳米沟槽作为参考结构，用来方便样品定位。测量得到的几何参数约为w₁＝550nm、w₂＝200nm、h₁＝79nm、h₂＝52nm。在中间的非对称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，可用来将中间的非对称纳米沟槽结构所激发的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SPPs的相对强度。

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非对称纳米沟槽结构上，光斑直径被聚焦为约3微米。非对称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，然后成像到电荷耦合器件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非对称纳米沟槽结构向左右两边激发的SPPs的强度比，也就是消光比。图6(c)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SPPs的消光比，从中可以估计出消光比大于10的带宽约为220nm。图6(c)右侧的插图显示了几个典型激光波长下的CCD图像，图中用两个箭头指出了两边观察用的纳米缝所在的位置，可以明显看出向左右两边发射的SPPs强度差别很大，在波长700nm、800nm和900nm下SPPs始终主要向右激发，在波长800nm处测得的最大消光比达到94。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)，可以大大提高样品的平整度。

总之，与现有技术中的宽带表面等离激元单向激发器相比，本发明不仅同时提供了高SPPs激发效率(绝对效率>15％)、高消光比(对某一特定波长>10⁴)和超小的样品尺寸(横向尺寸约550nm)，而且提供了约220nm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SPPs单向激发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

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；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。

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所述的宽带表面等离激元单向激发器，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所述的宽带表面等离激元单向激发器，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.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，所述主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度越浅，工作带宽就越大。

6.一种宽带表面等离激元单向激发器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

1)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；

7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，在步骤6)中，通过调整主纳米沟槽的深度h₁改变主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式之间的相位差，从而控制这两种模式在金属表面所激发的SPPs之间的相位差；通过改变h₂改变附加纳米沟槽中一阶波导模式所激发的主纳米沟槽中二阶波导模式的强度，控制主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式的相对强度，从而控制这两种模式在金属表面所激发的SPPs之间的相对振幅。

8.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度越浅，工作带宽就越大。