CN111257977B - 透射型紫外sp定向传输结构及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种透射型紫外SP定向传输结构及其设计方法，该结构包括：衬底，设于衬底上表面的金属薄膜，在金属薄膜上设有纳米狭缝，在纳米狭缝的一侧设有金属凹槽；纳米狭缝的宽度Ws为入射紫外光波的SP半波长λsp，即Ws＝1/2λsp，纳米狭缝的深度Ds与金属薄膜的厚度相等，金属凹槽的深度Dg为10‑70nm，凹槽宽度Wg范围为25‑205nm；在紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，金属凹槽的宽度Wg取1/4λsp的奇数倍；在紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，金属凹槽宽度Wg取1/4λsp的偶数倍。利用纳米狭缝和凹槽设计的透射型紫外SP定向传输结构，提出了SP传输左向/右向调控的方案。
Description
技术领域
本发明属于紫外SP传输技术领域，更具体地，本发明涉及一种透射型紫外SP定向传输结构及其设计方法。
背景技术
现有的表面等离激元(Surface Plasmon，SP)光子学研究多涉及可见光或者红外波段。近年来随着研究的不断深入，越来越多的研究人员开始关注将SP技术拓展到紫外波段，比如紫外表面增强拉曼散射光谱、紫外高效LED、紫外SP纳米光刻等。由于紫外SP激发效率一直较低，并且传输损耗又大，阻碍了紫外SP技术的发展和应用。
发明内容
本发明提供一种透射型紫外SP定向传输结构，旨在提高紫外SP的激发强度及传输方向的可控性。
为了实现上述目的，一种透射型紫外SP定向传输结构的设计方法，所述方法具体包括如下步骤：
S1、基于入射紫外光的波长λ0计算SP波长λsp；
S2、基于SP波长λsp确定纳米狭缝的宽度Ws，即Ws＝λsp/2，将纳米狭缝的深度设置为金属薄膜的厚度；
S3、基于定向传输方向确定金属凹槽的宽度，当需要紫外SP向金属凹槽背离侧的金属薄膜表面传输时，金属凹槽的宽度Wg为λsp/4的奇数倍，当需要紫外SP向金属凹槽所在侧的金属薄膜表面传输时，金属凹槽宽度Wg为λsp/4的偶数倍；
S4、获取不同腔长LFP及不同金属凹槽深度Dg对应的消光比数值，获取消光比数值最大的腔长LFP及金属凹槽深度Dg，即为最佳腔长及最佳凹槽深度，基于最佳腔长确定金属凹槽的宽度Wg；
腔长LFP等于纳米狭缝的宽度Ws与金属凹槽的宽度Wg之和，通过调整金属凹槽的宽度Wg来调整腔长LFP。
进一步的，在步骤S4之后还包括：
S5、当需要紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，则在金属凹槽背离侧的金属薄膜上设置Bragg光栅，当需要紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，则金属凹槽所在侧的金属薄膜上设置Bragg光栅；
Bragg光栅周期Λ＝λB/2·neff，neff为Bragg光栅结构的有效折射率，Bragg光栅的占空比为(Λ-Ws)/Ws，Bragg光栅的深度与金属凹槽的深度Dg相同。
进一步的，所述金属薄膜的材料为Al。
进一步的，所述金属薄膜层的厚度小于入射波的波长λ0。
本发明是这样实现的，一种透射型紫外SP定向传输结构，当需要紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，所述结构包括：
衬底，设于衬底上表面的金属薄膜，在金属薄膜上设有纳米狭缝，在纳米狭缝的一侧设有金属凹槽；
纳米狭缝的宽度Ws为入射紫外光波的SP半波长λsp，即Ws＝λsp/2，纳米狭缝的深度Ds与金属薄膜的厚度相等，金属凹槽的深度Dg为10-70nm，凹槽宽度Wg范围为25-205nm，金属凹槽的宽度Wg取λsp/4的奇数倍；
当需要紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，所述结构包括：
衬底，设于衬底上表面的金属薄膜，在金属薄膜上设有纳米狭缝，在纳米狭缝的一侧设有金属凹槽；
纳米狭缝的宽度Ws为入射紫外光波的SP半波长λsp，即Ws＝λsp/2，纳米狭缝的深度Ds与金属薄膜的厚度相等，金属凹槽的深度Dg为10-70nm，凹槽宽度Wg范围为25-205nm，金属凹槽宽度Wg取λsp/4的偶数倍。
进一步的，当需要紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，若入射紫光波的波长为248nm，则狭缝宽度Ws＝λsp/2＝115nm，凹槽深度Dg＝60nm，腔长LFP＝175nm；
当需要紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，若入射紫光波的波长为248nm，则腔长LFP＝230nm，Ws＝λsp/2＝115nm，凹槽深度Dg＝60nm。
进一步的，当需要紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，则在金属凹槽背离侧的金属薄膜上设置Bragg光栅；
当需要紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，则金属凹槽所在侧的金属薄膜上设置Bragg光栅
Bragg光栅周期Λ＝λB/2·neff，neff为Bragg光栅结构的有效折射率；
Bragg光栅的占空比为(Λ-Ws)/Ws，Bragg光栅的深度与金属凹槽的深度Dg相同。
进一步的，所述金属薄膜的材料为Al。
进一步的，所述金属薄膜层的厚度小于入射波的波长λ0。
本发明通过建立背入射时纳米狭缝宽度与紫外SP激发效率的关系模型，给出了利用纳米狭缝和凹槽设计的透射型紫外SP定向传输结构，通过建立基于SP干涉的定向传输模型，提出了SP传输左向/右向调控的方案。
附图说明
图1为本发明实施例提供的通透纳米狭缝的示意图；
图2为本发明实施例提供的狭缝宽度对SP激发效率的影响及激发效率极小(大)值对应的电场分布，其中(a)为狭缝宽度与激发效率的关系曲线(λ＝248nm)，(b)为狭缝宽度Ws＝230nm的电场分布图，(c)为狭缝宽度Ws＝340nm的电场分布图；
图3为本发明实施例提供的入射光波长不同时的SP激发效率及电场分布图，其中(a)为狭缝宽度与激发效率关系图，(b)为图(a)中标记点b的电场分布图，(c)为图(a)中标记点c的电场分布图，(d)为图(a)中标记点d的电场分布图，(e)为图(a)中标记点e的电场分布图；
图4为本发明实施例提供的透射型紫外SP定向传输结构及机理简化过程，其中(a)为结构示意图，(b)为简化过程第一步，(c)为简化过程第二步；
图5为本发明实施例提供的透射型紫外SP定向传输结构示意图；
图6为本发明实施例提供的纳米腔长结构优化设计，其中，(a)为纳米腔长对消光比的影响，(b)为图(a)中标记点b的电场分布，(c)为图(a)中标记点c的电场分布，(d)为图(a)中标记点d的电场分布。
图7本发明实施例提供的凹槽深度优化设计，其中(a)为不同凹槽深度和腔长对消光比影响，(b)为图(a)中A点分别对应的电场分布，(c)为图(a)中B点分别对应的电场分布，(d)为图(a)中Q点分别对应的电场分布；
图8为本发明实施例提供的基于Bragg光栅的透射型SP定向传输结构示意图；
图9为本发明实施例提供的Bragg光栅增强SP定向传输特性，其中，(a)为光栅周期对消光比的影响，(b)为光栅周期Λ＝255nm时的电场分布，(c)为有无Bragg光栅的电场截面对比。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
背入射时纳米狭缝的SP激发模型
为避免狭缝深度过深导致的复杂波导模式，本发明将金属薄膜设置成小于入射波长，保证狭缝中只存在波导模式的基模。在这种情况下只需考虑狭缝宽度Ws对激发效率的影响。定义激发效率为SP耦合能量占入射光总能量的比例。
图1给出了通透纳米狭缝的示意图(x-z截面)，即在一无限大金属Al薄膜上刻蚀一个通透的狭缝，其宽度用Ws表示，深度(即金属薄膜的厚度)用Ds表示。金属材料选择铝(Al)，具有TM偏振的平面波，利用背入射的方式从金属下表面垂直入射狭缝，将会在Al薄膜上表面沿x方向激发两束对称的SP。
依据信息光学的基本原理，当入射光波以任意角度θ背入射时，其平面波函数表达式为：
U＝(xcosθ-zsinθ)exp[jk0(xsinθ+zcosθ)]
其中k0为入射光的波矢。狭缝孔径用矩形函数表示为：
当倾斜光照射时狭缝中的有孔光场轮廓如下式：
Γ(x)exp(jk0xsinθ)
将其转换成有孔光场的角谱分布方程：
其中ω是空间频率，且有sinc(x)＝sinc(πx)/(πx)。对于角谱分布其实是矩形孔径分布的一种偏移转换形式。先定义SP的空间频率表达式为：
对于狭缝两侧的SP角谱分布分别可以写成Π(+ωsp)和Π(-ωsp)，分别代表对狭缝两侧SP激发所起的作用。
根据以上推导，当倾斜入射时，狭缝左侧激发效率极小值对应的狭缝宽度Ws应满足以下条件：
可解得狭缝左侧激发效率极小值对应的狭缝宽度，用WsLmin表示：
同理，可解得狭缝右侧激发效率极大值对应的狭缝宽度，用WsRmax表示：
入射光垂直入射是倾斜入射的一种特殊情况，即θ＝0。此时，狭缝两侧对称激发强度相等，大小相反的两束SP。换句话说，当倾斜入射时，狭缝左侧激发效率极小值对应的狭缝宽度则为垂直入射时激发效率极小值对应的宽度，用Wsmin表示；狭缝右侧激发效率极大值对应的狭缝宽度则为垂直入射时激发效率极大值对应的宽度，Wsmax表示。因此，Wsmin及Wsmax可以简化为：
Wsmax＝mλsp，m＝1，2，…
Wsmax＝(m-0.5)λsp，m＝1，2，…
分析上述结果可知单元狭缝宽度与SP激发效率的关系。当入射光垂直入射时，单元纳米狭缝结构激发效率极小值对应的狭缝宽度应满足SP波长的整数倍；而激发效率极大值对应的狭缝宽度应满足SP半波长的奇数倍。
狭缝宽度对紫外SP激发效率的影响
为验证上述理论结论在紫外波段的可靠性，下面利用FDTD算法进行数值计算。以中波紫外光的248nm波长为例，垂直照射通透纳米狭缝，验证紫外波段狭缝宽度与紫外SP激发效率的关系。当入射光波长为248nm时，此时Al的介电常数为εm＝-8.6075+1.1172i，电介质为空气，其介电常数为εd＝1。根据表面等离激元色散关系可求得此时的SP波长为λsp≈233nm。计算模型坐标如图1所示。沿着x与y方向均为无限长，故设置为周期边界条件，z方向则设置为完全匹配层(PML)吸收边界。网格计算精度为Δx＝Δy＝Δz＝2nm。入射光性质为具有TM偏振的平面波，入射光强度做归一化处理。
图2(a)给出SP激发效率与狭缝宽度关系图，狭缝宽度变化范围20-800nm，并如图2(b)及图2(c)分别给出狭缝宽度Ws＝230nm、Ws＝340nm的电场分布图。由图2(a)可以看出，在入射光波长为248nm时，Al的紫外SP激发效率与狭缝宽度有关。当激发效率为极大值时，对应的狭缝宽度Ws分别为115nm，340nm和570nm，由于此时SP波长为233nm，可见狭缝宽度正好满足SP半波长的奇数倍；而当SP激发效率为极小值时，对应狭缝宽度Ws分别为230nm，460nm和700nm，此时狭缝宽度正好满足SP波长的整数倍。
此外，各激发效率极大值对应的狭缝宽度之间差值ΔWs≈235nm≈λsp，激发效率谷值对应的狭缝宽度差值也等于1个λsp，由此可知激发效率随狭缝宽度呈周期性变化。根据数值计算结果，入射光波长为248nm时，SP激发效率与狭缝宽度的关系与理论模型是一致的。为验证理论模型在紫外波段的可靠性，下文将研究多个紫外波长的SP激发效率与狭缝宽度的关系。
为了进一步了解狭缝宽度对紫外SP激发效率影响，改变入射光波长，验证理论模型的正确性。波长选择为常用的近紫外波长436nm，长波紫外光中的365nm，中波紫外光中的248nm，短波紫外光中的193nm。如图3(a)所示，分别给出了上述波长入射光照射下SP激发效率随狭缝宽度变化的关系曲线，并给出图3(b)至图3(e)所示，不同入射光激发效率首次达到极大值的场分布示意图。
图3(a)直观地反映了不同紫外波长入射，SP激发效率呈周期性变化。随狭缝宽度的增加，紫外SP激发效率有所减弱。不同波长入射光呈现的SP激发效率极大值(极小值)基本满足上述的结论，且与数值计算结果基本吻合。需要注意的是，狭缝宽度增加激发效率却有所降低，是因为随宽度的增加，入射光总能量的透射率增大，耦合到SP中的能量也会减少，导致激发效率数值降低。而当狭缝宽度较窄时，激发效率却不是很高，只有当狭缝宽度大于1个入射光波长时才会显示出较好的激发效率。
综合上述分析，单元纳米狭缝的紫外SP激发效率与狭缝宽度有关。当狭缝宽度满足紫外SP半波长的奇数倍，SP激发效率达到极大值；当狭缝宽度满足紫外SP波长的整数倍，SP激发效率达到极小值。在紫外SP结构设计中，需选择合适的狭缝宽度已达到较高的SP激发效率。
结构模型与定性分析
为实现SP向左(或向右)的定向传输就必须打破结构的对称性，为此我们在上一节工作的基础上，基于单元纳米狭缝，在其一侧刻蚀一个金属凹槽，构成非对称纳米腔结构来调控SP的传输方向，如图4(a)所示。凹槽置于狭缝的右侧，凹槽宽度定义为Wg，深度定义为Dg，与狭缝构成纳米腔。入射光从结构下表面背入射时，经狭缝透射后在金属上表面激发出非对称的SP场。下面首先定性分析这种透射型结构实现SP定向传输的机理。
该结构实现SP定向传输的机理主要与干涉场的叠加有关。为了清楚地表示该机理，将激发过程简化成两个步骤。(1)狭缝激发SP，如图4(b)所示。从上一节的理论可知，当狭缝形成本征模式的两个SP时，一个沿金属薄膜表面往左向传输，另一个沿着凹槽的底部向右传输；(2)如图4(c)所示，沿着凹槽底部的SP在纳米腔的内壁之间来回反射震荡，一部分散射到左侧金属薄膜表面的SP中，发生干涉；另一部分继续沿着结构右向传输。这种简化使得透射型结构的上方形成了一个类似于法布里-珀罗腔(FP cavity)，其作用是入射光在腔内的来回反射引起位相延迟，当与另一束光的总位相满足π的奇数倍或者偶数倍时，对应产生干涉相长或相消。
对于FP纳米腔中SP通过多次反射并且每次来回震荡往返累积的总相位可以定义为：
式中ksp为入射光所激发SP的波矢，LFP是透射型纳米腔的腔长，在本文中定义为LFP＝Ws+Wg，
是由FP腔内壁上的两次反射所引起的相移。当腔内的SP散射到金属表面时，会与该方向上原先的SP发生干涉。当ψ等于π的偶数或者奇数倍的时候会发生干涉相长或者干涉相消。这个定性解释在红外和可见光波段已经成功应用，但在紫外波段应用时需要稍加修正。
定向传输的干涉模型
定性分析虽然可以直观地反映出透射型紫外SP定向传输结构特性，但无法明确各结构参数的作用机制，也不能通过改变参数实现可调的SP定向传输。下面，利用SP干涉理论建立具体模型进行分析。
对于结构左右两侧传输，方向相反的两束SP是对称的，可以简单的表述为：
其中A0、B0分别代表左右两侧电场强度的实际幅值，初始相位分布为
当往右侧传输的SP被凹槽内壁反射时，Uright的表达式转变成：
其中Δx定义为腔长引起的相位差，并有Δx＝LFP+Wg＝Ws+2Wg，Δθ主要是由反射带来的能量损失导致的。
当反射的SP在结构左侧与原先往左向传输的SP发生干涉作用后，总光场U的表达式可以写成：
根据以上公式，场强分布计算定义为理解成波函数振幅乘振幅的复共轭，即：
根据单元纳米狭缝激发的SP特性，狭缝两侧对称产生的SP其振幅、初始相位都是完全一样的，只是传输方向不同。因此，I(x)表达式中的
A0＝B0，因此可以简化为：
I(x)＝2A0 2+2A0 2cos(kspΔx+Δθ)
从式中可以看出，当满足kspΔx+Δθ＝2nπ，n＝1,2...时，SP在结构左侧发生干涉相长，Δθ应当满足π的偶数倍，此时Δx＝nλsp，光场的分布出现最大值，达到I(x)＝4A0 2，而电场强度的数值理论上是原电场强度的2倍；当满足kspΔx+Δθ＝(2n-1)π,n＝1,2...时，此时Δx＝(2n+1)λsp/2，Δθ也应当满足π的偶数倍光场的分布出现最小值，达到I(x)＝0，此时电场强度的数值理论上为0。
需要注意的是，当透射型结构左侧发生干涉相消时，左侧的电场强度理论值为0，但实际数值计算中并不为0，这也就意味着往右向传输的SP被金属内壁反射之后，由于存在能量损失，电场强度会有所减少。从而导致A0并不完全等于B0，实际应满足A0＞B0，这就导致了在干涉过程中无法达到完全的干涉相消，必有一部分强度会继续沿着结构左侧的方向进行传输。根据能量守恒定律，当发生干涉相消时，结构左侧能量分布较小，从而致使能量集中分布在结构右侧，但这个能量相对于总能量来说是比较小的，往结构右侧传输的SP电场强度也就不是很大，进而消光比的数值不是很大。
左向/右向传输的调控原理
根据上一节的分析，改变Δx即可调节SP的传输方向，实现定向传输控制。同时也注意到Δx＝Ws+2Wg，因此通过调节狭缝宽度Ws和凹槽宽度Wg即可调控SP左向/右向传输。
当SP向左传输干涉相长时，透射型SP定向传输结构内光程满足Ws+2Wg＝nλsp；当SP向左传输干涉相消时，透射型SP定向传输结构内光程满足Ws+2Wg＝(2n+1)λsp/2。若将透射型结构内通透狭缝的宽度Ws固定在激发效率极大值对应的宽度，即Ws＝(m-0.5)λsp。进而推导出本文设计结构左侧干涉相长时Wg应满足的理论数值：
左侧干涉相消时Wg应满足的理论数值：
例如，并有m＝1，n＝1，狭缝的宽度为Ws＝λsp/2，则式3.2求得，Wg＝1/4λsp，LFP＝3/4λsp；式3.3求得，Wg＝λsp/2，LFP＝λsp。除此之外，通过选定不同的m、n的数值，但在数值选择时需满足实际意义，可得透射型结构的理论数值。
综上所说，当狭缝宽度Ws一定时，将凹槽宽度Wg设计为λsp/4的奇数倍时，透射型SP向结构左侧传输；将凹槽宽度Wg设计为λsp/4的偶数倍时，透射型SP向结构右侧传输。
SP定向传输特性的评价指标
作为评价本节设计的紫外SP定向传输结构的性能指标，SP激发效率只能反映入射光能量的耦合程度，却无法直接反映出SP的传输方向。由于定向传输结构两侧SP的强度呈现不对称分布，消光比(Extinction Ratio)这一性能指标可以很直观的反应SP传输特性。在已有的定向激发研究中多次被提到，是一种常用的评价指标。消光比定义为：
其中Eleft、Eright分别表示结构两侧SP的电场强度，单位为dB。当Eleft＞Eright，消光比为正，则代表向左传输的SP强度高于向右传输的SP强度；当Eleft＝Eright，消光比为0，则代表向左、右传输的SP强度相等；当Eleft＜Eright，消光比为负，则代表向左传输的SP强度低于向右传输的SP强度。因此，消光比的数值越大反应了结构左右两侧的电场强度相差越大，即定向传输效果越好。消光比的正负表示SP左向或者右向传输。
纳米腔结构优化设计
上文提出的干涉模型针对凹槽宽度Wg提出了透射型SP结构传输方向的调控方案，利用数值计算进行参数优化。为了方便计算和说明，如图5所示再次给出结构示意图，定义结构中纳米腔的腔长LFP＝Ws+Wg，因此改变凹槽宽度Wg，则是改变纳米腔腔长LFP。
根据设计方案，首先需要确定一些给定的数值。由于干涉模型没有考虑凹槽深度，因此暂时先不考虑其的影响，将凹槽深度确定为Dg＝60nm。入射光波长选用248nm的长波深紫外光，计算λsp＝233nm。狭缝宽度取值为Ws＝115nm≈1/2λsp。虽然Ws＝λsp/2并不是紫外SP激发效率最高时对应狭缝宽度，但正因为此时的SP效率不高，而SP定向传输却可以增强激发效率，从而形成明显的对比，所以后续的数值计算都是基于狭缝宽度Ws＝115nm进行。根据以上的参数选定，图6(a)给出当为Ws＝115nm，Dg＝60nm时，结构两侧消光比Ext随腔长LFP变化关系图腔长的变化范围是150nm-260nm。图6(b)至图6(d)分别为图6(a)中标记为A、B、C三点对应的电场分布示意图。
从图6(a)可知，当Ws与Dg确定之后，消光比数值受腔长调控。图中A点消光比为16.8dB，是腔长变化范围内消光比极大值，此时结构左侧发生干涉相长，反映出此时SP左向传输效果最好；B点消光比为-3.8dB，消光比为极小值，此时结构左侧发生干涉相消，也就是SP只能往右向传输，其中负号便代表与A点对应的SP传输方向相反；C点消光比大致为0dB，也就意味着此时结构左右两侧的SP强度相等，无定向传输现象。结合图6(b)-图6(d)也可直观反应出SP定向传输方向特性。
A、B分别代表SP左向、右向的定向传输。A点数值计算结果LFPA＝175nm，WgA＝60nm，与式3.28给出的理论值LFP＝3/4λsp＝174.75nm，Wg＝1/4λsp＝58.25nm基本一致；B点数值计算结果LFPB＝230nm，WgB＝115nm与式3.2给出的理论值LFP＝λsp＝233nm，Wg＝1/2λsp＝116.5nm也基本一致。分析A、B两点对应的腔长LFP及凹槽宽度Wg可知，SP左向/右向传输调控方案是可行的。
考虑到上文中所说的两侧反射的理论不再适合紫外波段的SP定向激发理论解释，对式3.1进行了修正，得到表达式：
其中θ0是腔内反射和损失带来的总相相位。由于反射和损失的总相移θ0具有不确定性，直接验证点A处的总相移正好是2π和在点B处总相移是π，并没有那么容易。但是可以通过检查相位差来粗略地判断其适用性。图6(a)中A和B两点对应的相位差表示为：
通过计算，结果近似等于2π，这与推测是一致的。请注意，上述的理论推导，本文将SP与传输波进行类比，而在透射型结构内辐射的电磁场更复杂。
对比分析消光比的极值所对应的腔长、凹槽深度数值可知，数值计算结果和干涉模型预测的结构是基本吻合的。进而证明本文所提的干涉模型是合理的，通过改变LFP数值，调控SP传输方向。但需要注意的是，理论上当SP往结构右侧传输时，其消光比数值应与往左向传输消光比近似，然而消光比极大值与极小值相差较大。这也就意味着，透射型紫外SP定向传输结构可以实现特定方向的单向SP传输，并不能很好地实现可调的SP定向传输。
综合上述分析可以看出：当凹槽深度Dg一定时，改变狭缝宽度Ws，可以控制SP左向或者右向传输，这与干涉模型预测一致。不过，从具体数值结果来看，左向的消光比(16.8dB)远大于右向消光比(3.8dB)，说明该结构用于实现左向传输时性能较好，但用于右向传输则效率较低。而在干涉模型中无法体现这一点，所以在用干涉模型大致确定结构参数后还需要对器件的电磁场分布进行计算才能最终确定最优参数。
凹槽深度优化设计
上文已经对纳米腔长进行了相应优化，且腔长能实现对透射型紫外SP传输方向的调控，但凹槽深度Dg也是该结构中不可忽略的结构参数，也需要进行相应的数值计算。因此，本节针对不同的凹槽深度Dg，结合腔长LFP分析该结构SP定向传输特性的影响因素。图7(a)给出对应于不同腔长度LFP和凹槽深度Dg的消光比数值，采用的二维参数扫描绘制消光比等高线谱。其中入射光波长仍为248nm，狭缝宽度为115nm。腔长LFP取值范围是140nm-320nm，也就是意味着凹槽宽度Wg范围为25-205nm，凹槽深度Dg范围是10-70nm。并从腔长LFP与凹槽深度Dg分析设计结构的SP传输特性。
从腔长LFP角度分析，如图7(a)所示，A、B两点对应的电场分布与上节给出的是一致的，为了方便对比，共同给出A、B、Q三点的电场分布；Q点消光比再次出现极大值7.3dB，意味着结构左侧再次出现干涉相长，此时LFPQ＝285nm，WgQ＝170nm。而Q的理论值为LFP＝5/4λsp＝291.25nm，Wg＝3/4λsp＝174.75nm，可知数值计算结果与干涉模型结果也是基本一致的。Q点的电场分布如图7(b)所示。虽然在Q点消光比再次达到极大值，也可实现定向传输的目标，但较A点相比，消光比降低。消光比减小的根本原因在于SP传输距离增长，因此该腔长的消光效果并没有A处所对应的结构参数效果好。
接下来分析凹槽深度Dg对SP传输特性的影响。从图7(a)可知，对于腔长和凹槽宽度的二维扫描中，A点的消光比最大，可以达16.8dB，此时对应的凹槽深度DgA＝60nm；B点消光比极小值可以达-3.8dB，对应的凹槽深度Dg＝60nm，由此可知，就凹槽深度而言，Dg＝60nm是一个较为理想的结构参数；Q点，凹槽深度DgQ＝38nm，这与A、B两点对应的凹槽深度并不相同；当腔长的数值较大时，消光比数值大于0dB，此时，绝大多数结构参数只能实现往机构左侧的SP定向传输。
从以上分析可以看出，凹槽深度Dg不会改变SP的传输方向特性，但对消光比的数值影响较大，会使消光比呈现周期性变化。因此，要获得较好的消光比效果必须仔细优化凹槽深度。
增强型紫外SP定向传输结构
上文设计的紫外SP定向传输结构虽然实现了单向的SP传输，但从图6(b)、7(b)都可以看出，当SP向左侧定向传输时，结构右侧仍有部分能量未耦合到SP中。因此考虑在图5所示结构的基础上设计一个Bragg光栅(周期性阵列)来进一步提高消光比，结构如图8所示。
Bragg反射光栅的作用机理是当光栅的反射波长λB与SP波长相匹配时]，会将SP波反射回去，其反射波长λB与光栅周期的关系如下式：
λB＝2neffΛ
其中neff为光栅结构的有效折射率，Λ为光栅周期。根据已有的有效折射率计算方法，可以计算出Al薄膜上刻蚀Bragg光栅的有效折射率为0.88，由式3.33可以得到光栅周期的理论值约为Λ＝λB/2·neff＝250nm。为确定最佳的光栅周期，我们利用FDTD算法计算了光栅周期从200nm-300nm时对应的消光比，计算步长为5nm，计算结果如图9(a)所示。光栅的刻蚀深度与凹槽深度相同为60nm。
从图9(a)可以看出，当LFP＝175nm，Ws＝115nm，Dg＝60nm时，当周期Λ约为255nm时，可获得28.2dB的最大消光比，比透射型紫外SP定向传输结构的消光比16.8dB的值高出67％。如图9(b)为光栅周期为255nm的电场分布，与图6(b)对比可以发现，在Bragg光栅结构作用下，会有更多能量往结构左侧耦合，实现更好的紫外SP定向传输效果。为了更清楚地显示这一点，在图9(c)中给出带有或不带有Bragg光栅结构的电场分布对比。可以看出，在右侧区域，红色实线低于黑色虚线，这表示有光栅时右侧电场强度比没有光栅时更低，部分能量被反射到了左侧区域。同时，也注意到从左侧区域红色实线高于黑色虚线，这表明被光栅反射的能量耦合到了左侧区域，使得电场强度变大，由此可见，利用Bragg光栅的波长选择特性可以增强紫外SP定向传输效果。
综合以上的数据，表1中给出了248nm透射型紫外SP定向传输结构的优化设计结果及对应的消光比指标。
表1 248nm透射型紫外SP定向传输结构设计结果
从表1可以看出，当腔长为175nm，凹槽深度为60nm时，透射型结构实现SP左向传输，消光比达16.8dB。适当改变结构参数可以得到消光比的次级极值7.3dB，说明本结构设计较为灵活。当腔长为230nm，凹槽深度为60nm时，SP右向传输，但消光比数值较小，仅为3.8dB，说明该结构虽然可以实现SP左向和右向的传输调控，但右向传输时定向效果并不太好。增强型结构可将左向消光比分别从16.8dB和7.3dB提高到28.2dB和15.4dB，体现了Bragg光栅对于SP反射的增强作用，在需要实现极高效率的SP定向传输时可以考虑使用。
本发明建立了背入射时纳米狭缝宽度与紫外SP激发效率的关系模型，依据该模型可以推测当狭缝宽度等于奇数倍SP半波长时激发效率最大；给出了利用纳米狭缝和凹槽设计的透射型紫外SP定向传输结构，建立基于SP干涉的定向传输模型，提出了SP左向/右向传输调控的方案，即当凹槽宽度为奇数倍λsp/4时，SP左向传输，凹槽宽度为偶数倍λsp/4时，SP右向传输。
在以上理论工作的基础上，设计出了一种适用于248nm紫外光的SP定向传输结构。给出了具体的设计流程，通过FDTD数值仿真分析了结构参数对紫外SP定向传输性能的影响，计算结果验证了理论的正确性。消光比数值由凹槽深度Dg调控，SP传输方向由腔长LFP调控。经过仔细优化后的结构参数为：左向传输时，狭缝宽度Ws＝λsp/2＝115nm，凹槽深度Dg＝60nm，腔长LFP＝175nm，消光比为16.8dB；右向传输时，只需改变腔长LFP＝230nm，其余参数不变，消光比为-3.8dB；当添加周期为255nm的Bragg光栅后，可以进一步将左向传输时的消光比提高到28.2dB，与现有可见光波段的定向传输器件指标相当。
设计流程
透射型紫外SP定向传输结构的设计方法具体如下：
S1、基于入射光波长λ0计算SP波长λsp；
S2、基于SP波长λsp确定纳米狭缝的宽度Ws，即Ws＝λsp/2，将纳米狭缝的深度设置为金属薄膜的厚度；
S3、基于定向传输方向确定金属凹槽的宽度，当需要紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，金属凹槽的宽度Wg为λsp/4的奇数倍，当需要紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，金属凹槽宽度Wg为λsp/4的偶数倍；
S4、获取不同腔长LFP及不同凹槽深度Dg对应的消光比数值，获取消光比数值最大的腔长LFP及凹槽深度Dg，即为最佳腔长LFP及最佳凹槽深度，基于最佳腔长确定金属凹槽的宽度Wg；
腔长LFP等于纳米狭缝的宽度Ws与金属凹槽的宽度Wg之和；
S5、当需要紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，则在金属凹槽背离侧的金属薄膜上设置Bragg光栅，当需要紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，则金属凹槽所在侧的金属薄膜上设置Bragg光栅；
Bragg光栅周期Λ＝λB/2·neff，neff为Bragg光栅结构的有效折射率，Bragg光栅的占空比为(Λ-Ws)/Ws，Bragg光栅的深度与金属凹槽的深度Dg相同。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种透射型紫外SP定向传输结构的设计方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
S1、基于入射紫外光的波长λ0计算SP波长λsp；
S2、基于SP波长λsp确定纳米狭缝的宽度Ws，即Ws＝λsp/2，将纳米狭缝的深度设置为金属薄膜的厚度；
S3、基于定向传输方向确定金属凹槽的宽度，当需要紫外SP向金属凹槽背离侧的金属薄膜表面传输时，金属凹槽的宽度Wg为λsp/4的奇数倍，当需要紫外SP向金属凹槽所在侧的金属薄膜表面传输时，金属凹槽宽度Wg为λsp/4的偶数倍；
S4、获取不同腔长LFP及不同金属凹槽深度Dg对应的消光比数值，获取消光比数值最大的腔长LFP及金属凹槽深度Dg，即为最佳腔长及最佳凹槽深度，基于最佳腔长确定金属凹槽的宽度Wg；
腔长LFP等于纳米狭缝的宽度Ws与金属凹槽的宽度Wg之和，通过调整金属凹槽的宽度Wg来调整腔长LFP，金属凹槽设置于纳米狭缝的一侧，且紧邻纳米狭缝设置；
在步骤S4之后还包括：
S5、当需要紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，则在金属凹槽背离侧的金属薄膜上设置Bragg光栅，当需要紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，则金属凹槽所在侧的金属薄膜上设置Bragg光栅；
Bragg光栅周期Λ＝λB/2·neff，neff为Bragg光栅结构的有效折射率，Bragg光栅的占空比为(Λ-Ws)/Ws，Bragg光栅的深度与金属凹槽的深度Dg相同。
2.如权利要求1所述透射型紫外SP定向传输结构的设计方法，其特征在于，所述金属薄膜的材料为Al。
3.如权利要求1所述透射型紫外SP定向传输结构的设计方法，其特征在于，所述金属薄膜的厚度小于入射波的波长λ0。
4.一种透射型紫外SP定向传输结构，其特征在于，当需要紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，所述结构包括：
衬底，设于衬底上表面的金属薄膜，在金属薄膜上设有纳米狭缝，在纳米狭缝的一侧设有金属凹槽，且紧邻纳米狭缝设置；
纳米狭缝的宽度Ws为入射紫外光波的SP半波长λsp，即Ws＝λsp/2，纳米狭缝的深度Ds与金属薄膜的厚度相等，金属凹槽的深度Dg为10-70nm，凹槽宽度Wg范围为25-205nm，金属凹槽的宽度Wg取λsp/4的奇数倍；
当需要紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，所述结构包括：
衬底，设于衬底上表面的金属薄膜，在金属薄膜上设有纳米狭缝，在纳米狭缝的一侧设有金属凹槽；
纳米狭缝的宽度Ws为入射紫外光波的SP半波长λsp，即Ws＝λsp/2，纳米狭缝的深度Ds与金属薄膜的厚度相等，金属凹槽的深度Dg为10-70nm，凹槽宽度Wg范围为25-205nm，金属凹槽宽度Wg取λsp/4的偶数倍；
当需要紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，则在金属凹槽背离侧的金属薄膜上设置Bragg光栅；
当需要紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，则金属凹槽所在侧的金属薄膜上设置Bragg光栅
Bragg光栅周期Λ＝λB/2·neff，neff为Bragg光栅结构的有效折射率；
Bragg光栅的占空比为(Λ-Ws)/Ws，Bragg光栅的深度与金属凹槽的深度Dg相同。
5.如权利要求4所述透射型紫外SP定向传输结构，其特征在于，当需要紫外SP向金属凹槽背离侧传输时，若入射紫光波的波长为248nm，则狭缝宽度Ws＝λsp/2＝115nm，凹槽深度Dg＝60nm，腔长LFP＝175nm；
当需要紫外SP向金属凹槽所在侧传输时，若入射紫光波的波长为248nm，则腔长LFP＝230nm，Ws＝λsp/2＝115nm，凹槽深度Dg＝60nm。
6.如权利要求4或5所述透射型紫外SP定向传输结构，其特征在于，所述金属薄膜的材料为Al。
7.如权利要求4或5所述透射型紫外SP定向传输结构，其特征在于，所述金属薄膜的厚度小于入射波的波长λ0。
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