CN111766651A - 线偏振光单向sp激发器、圆偏振光定向sp激发器、多向分束器及其偏振检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SP多向分束器，该SP多向分束器包括：二氧化硅基底及金膜，金膜镀于二氧化硅基底上；在金膜上设置有阵排列的悬链线单元，在行方向上的排列周期为：一个SP波长，在列方向上的排列周期为：半个SP波长，其中，悬链线单元的腰宽为(m‑0.5)λ_sp，m的取值为正整数，开口大小为λ_sp，悬链线单元沿行方向开口。基于悬链线结构来构建分束器，悬链线结构具有几何位相连续调控的功能，且几何相位与坐标关系为线性关系，同时悬链线结构在X轴方向也具有不对称性，因此与光波的相互作用形式更为复杂，能够支持更多的电磁模式，各种模式的叠加为高效SP定向调控提供了可能。

Description

线偏振光单向SP激发器、圆偏振光定向SP激发器、多向分束器 及其偏振检测方法

技术领域

本发明属于SP激发技术领域，提供了一种线偏振光单向SP激发器、圆偏振光定向SP激发器、多向分束器及其偏振检测方法。

背景技术

表面等离激元技术是近年来多学科交叉的前沿研究热点，已经在超分辨率成像、超分辨光刻、矢量光场产生、平面聚焦器件等众多技术领域展现出了良好的应用潜能，在这些应用中如何实现SP的高效激发和调控始终是一个热点和难点问题。超表面是一种人工设计的二维复合结构，其电磁特性主要取决于人工设计的单元结构，能够在亚波长尺度上控制光的相位、振幅、偏振等信息，在SP定向激发调控方面具有突出优势，已引起世界各国研究人员的广泛关注。不过，现有的超表面存在单元结构离散、几何相位不能连续调控的问题，导致相位调控精度不高、器件结构复杂、消光比和带宽性能都还有待提高。

发明内容

本发明提供了一种多向分束器，该分束器用于表面等离激元的激发和调控，不同偏振态的入射光激发出的SP将会按照设定的方向进行传输。

本发明是这样实现的，一种线偏振光单向SP激发器，所述SP激发器包括：

二氧化硅基底及金膜，金膜镀于二氧化硅基底上，金膜的厚度为：0.1λ_sp～0.3λ_sp；

在金膜上设有一列列悬链线结构，列悬链线结构由若干悬链线单元组成，悬链线单元呈列排列，且在排列方向上周期性的分布，为了实现沿行方向的定向激发，就需要列方向激发的SP满足相干相消条件，即在排列方向上的排列周期为：半个SP波长；

其中，悬链线单元的腰宽为(m-0.5)λ_sp，m的取值为正整数，开口大小为0.3λ_sp～0.6λ_sp，悬链线单元沿行方向开口。

进一步的，若金膜上设有n列列悬链线结构，n≥2，n列悬链线沿行方向周期性的分布，为了在行方向上实现SP定向激发，要求在列方向上的相干相长，即在行方向上的周期要求等于1个SP波长。

本发明是这样实现的，基于线偏振光单向SP激发器的偏振检测方法具体如下：

将悬链线单元的开口方向定义为X正轴，入射光从线偏振光单向SP激发器的底部入射，若线偏振光单向SP激发器激发的SP沿X正轴传播，则入射光为线偏振光。

本发明是这样实现的，一种圆偏振光定向SP激发器，所述SP激发器包括：

二氧化硅基底及金膜，金膜镀于二氧化硅基底上，金膜的厚度为：0.2λ_sp～0.5λ_sp；

在金膜上设有一行行悬链线结构，行悬链线结构由若干悬链线单元组成，悬链线单元呈行排列，且在排列方向上周期性的分布，在排列方向上的排列周期为：一个SP波长，

其中，悬链线单元的腰宽为(m-0.5)λ_sp，m的取值为正整数，开口大小为0.5λ_sp～λ_sp，悬链线单元沿行方向开口。

本发明是这样实现的，基于所述圆偏振光定向SP激发器的偏振检测方法具体如下：

将行所在方向定位为X轴，列所在方向定义为Y轴，悬链线单元的开口方向定义为X正轴，X正轴逆时针旋转90度所在的方向为Y正轴；

当入射光从圆偏振光定向SP激发器的底部入射时，若圆偏振光定向SP激发器激发的SP沿Y正轴传播，则为左旋圆偏振光，若沿Y负轴传播，则入射光为右旋圆偏振光；若圆偏振光定向SP激发器激发的SP沿Y正轴及Y负轴传播，则入射光为Y线偏振光。

本发明是这样实现的，一种SP多向分束器，所述SP多向分数器包括：

二氧化硅基底及金膜，金膜镀于二氧化硅基底上；

在金膜上设置有阵排列的悬链线单元，在行方向上的排列周期为：一个SP波长，在列方向上的排列周期为：半个SP波长，

其中，悬链线单元的腰宽为(m-0.5)λ_sp，m的取值为正整数，开口大小为λ_sp，悬链线单元沿行方向开口。

进一步的，金膜的厚度为0.2λ_sp～0.5λ_sp。

本发明是这样实现的，基于SP多向分束器的偏振检测方法，所述方法具体如下：

将行所在方向定位为X轴，列所在方向定义为Y轴，悬链线单元的开口方向定义为X正轴，X正轴逆时针旋转90度所在的方向为Y正轴；

入射光从SP多向分束器的底部入射，若SP多向分束器激发的SP沿X正轴传播时，则入射光为X线偏振光；若SP多向分束器激发的SP沿Y正轴及Y负轴传播时，则入射光为Y线偏振光；若SP多向分束器激发的SP沿Y负轴及X正轴传播时，则入射光为右旋圆偏振光RCP；若SP多向分束器激发的SP沿Y正轴及X正轴传播时，则入射光为左旋圆偏振光LCP。

本发明基于悬链线结构来构建分束器、线偏振光单向SP激发器及圆偏振光定向SP激发器，悬链线结构具有几何位相连续调控的功能，且几何相位与坐标关系为线性关系，同时悬链线结构在X轴方向也具有不对称性，因此与光波的相互作用形式更为复杂，能够支持更多的电磁模式，各种模式的叠加为高效SP定向调控提供了可能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的波长760nm时激发电场分布图，其中(a)为激发电场在XZ界面(X＝50nm)分布图，(b)为电场在XZ面截线Z＝10nm上的分布图；

图2为本发明实施例提供的单列悬链线结构的单向激发图，其中(a)为结构示意图，(b)为电场比率R随波长变化图；

图3为本发明实施例提供的波长760nm时单列悬链线结构的单向激发图，其中(a)为激发电场分布图，(b)为激发电场的相位分布图，(c)为图(a)中白色剖面线处的电场分布曲线图；

图4为本发明实施例提供的线偏振光悬链线超表面SP单向激发器件结构示意图；

图5为本发明实施例提供的X线偏振入射下悬链线阵列结构消光比随波长变化图；

图6为本发明实施例提供的波长750nm的X线偏振光入射下定向激发图，其中(a)为阵列结构电场分布图，(b)为单列结构电场分布图；

图7为本发明实施例提供的波长750nm时Y线偏振光入射下单向激发情况，其中(a)为XY界面电场分布图(Z＝10nm)，(b)为XZ界面电场分布图(y＝0nm)；

图8为本发明实施例提供的结构参数对电场比率R的影响图，其中(a)为腰宽Δ，(b)为金膜厚度t，(c)为周期T_y(d)周期T_x；

图9为本发明实施例提供的悬链线几何相位调控图；

图10为本发明实施例提供的圆偏振光单向SP激发器结构示意图；

图11为本发明实施例提供的RCP入射下悬链线超表面单向激发图，其中(a)消光比随波长变化曲线图，(b)为波长640nm时金－空气界面电场分布图，(c)为图a白色虚线处电场剖面(YZ界面)分布图；

图12为本发明实施例提供的LCP入射下悬链线超表面单向激发图，其中(a)为波长640nm时金－空气界面电场分布图，(b)为图a白色虚线处电场剖面(YZ界面)分布图；

图13为本发明实施例提供的圆偏振时结构参数对电场比率R的影响图，其中为(a)腰宽Δ，(b)为金膜厚度t，(c)为周期T_y；

图14为本发明实施例提供的多向分束器激发模型图；

图15为本发明实施例提供的不同偏振光入射分束器时激发SP沿各方向耦合效率图，其中(a)为RCP，(b)为LCP，(c)为x-pol，(d)为y-pol；

图16为本发明实施例提供的波长618nm不同偏振光入射结构激发的SP在金-空气界面处电场分布图，其中(a)为RCP，(b)为LCP，(c)为x-pol，(d)为y-pol；

图17为本发明实施例提供的多功能偏振检测器示意图。

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。

线偏振光单向SP激发器设计

理论模型：在X线偏振入射时，SP电场的Ex分量在结构两侧大小不对称且相位相差π，因此用下式来表达，

其中，B₀和C₀分别为沿+X方向和-X方向的激发振幅。B₀和C₀大小不同，用来描述Ex的不对称性。β_sp＝k_sp+iγ是SP的传播常数，γ为SP的衰减系数；

为单位矢量。

和

中的正负符号分别表示沿+Y方向和-Y方向传播的SP。

当沿+X和沿-X传播的SP发生干涉作用时，X轴上的总场强度I表达式可以写为

将公式(1)和公式(2)代入(3)式中可以推得

沿X轴正负方向激发的SP电场振幅关系为B₀>C₀，所以X线偏振光入射时，激发的SP沿着+X传播，且当振幅满足|C₀/B₀|<<1时，激发的电场强度最大，沿+X方向定向激发效果最佳。

单列悬链线的单向激发特性

根据X线偏振入射悬链线单元的理论分析可知，激发SP电场的左右比值差别较大，通过结构优化可以使得SP振幅满足C₀/B₀＜＜1条件，即激发的SP可以看作沿X轴正方向单向激发。同时由于悬链线单元本身是亚波长结构，尺寸非常小，因此悬链线单元可以视为非对称的点光源。如果将这些点光源合理排布成一列，那么按照惠更斯－菲涅尔原理就可以相干叠加从而实现单向激发的平面波。

通过FDTD软件对单元结构仿真，仿真结果如图1所示。图1(a)为波长760nm时悬链线单元结构激发的SP在XZ界面分布，可以看出激发的SP向X轴正方向单向激发。图1(b)为计算的对应的电场分布，从图中可以看到沿X轴(负)方向传播电场明显小于沿X轴正方向传播的电场，X轴正方向第一极值处的电场为0.10V/m，而X负向的对应值为1.08×10^-3V/m，近似为零，满足|C₀/B₀|<<1这一条件，因此悬链线单元结构可以看作沿X轴正方向单向激发的不对称点源。

单列悬链线结构的排布如图2(a)所示。根据惠更斯－菲涅尔原理将悬链线单元结构沿Y轴排成一列，周期间距记为T_y＝Λ+G，悬链线开口方向沿X轴正方向。因为要实现沿X轴方向单向的SP激发，所以沿Y轴方向激发的SP应满足干涉相消条件T_y＝π/k_sp。当波长为760nm时，ε_Au＝-22.176+1.608i代入公式

可得k_sp＝8.4×10^-3rad/nm,对应的T_y＝370nm。

由于阵列排布时相邻悬链线间的耦合作用会使最佳间距与计算得出的间距有所差距，因此还需进一步优化以保证单向激发的R值最大，经过优化发现当Y轴方向的周期设为T_y＝360nm时定向效果最佳，与理论预测值大致吻合。经过反复仿真优化，得到的结构参数如表1所示：

表1优化后的单列悬链线结构参数表

参数	腰宽Δ	开口大小Λ	金膜厚度t	相邻间距G	Y轴周期T<sub>y</sub>
						数值(nm)	290	270	130	90	360

悬链线结构由两条悬链线曲线组成，腰宽Δ为悬链线曲线的平移距离，腰宽计算公式具体如下：

腰宽的计算主要考虑SP的激发效率，可以借助于狭缝的激发效率计算来估算腰宽的值；狭缝和SP效率的关系如下：

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)] (5)

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) (7)

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：

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W_s应满足以下条件：

由式10可解得狭缝左侧激发效率极小值对应的狭缝宽度，用W_sLmin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W_sRmax表示：

由上式可以得知，当入射光垂直入射时激发效率极大值对应的缝宽为:

W_smax＝(m-0.5)λ_sp,m＝1,2,··· (13)

结论：当入射光垂直入射时，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。同时还需要注意，为避免出现高阶模式，狭缝宽度应小于一个波长取值。

开口大小Λ悬链线曲线的水平长度，开口大小Λ的计算：开口大小影响悬链线的几何位相调控数值，具体关系如下。

当电磁波入射到悬链线上任意一点时，可以将此处的微元看成是一个纳米杆，纳米杆的方向显然应该为曲线的切线方向，因此所激发的几何相位值可以表示为

其中ζ(x)为曲线上任一点的切线方向与X轴的夹角。

当选择等强度悬链线时，其表达式为

其中Λ为常数。对其求导几何位相调控公式：

因此，悬链线具有线性调控几何位相的功能，按照表面等离激元光学的基本理论，为实现定向的相干叠加增强，需要控制相应的几何位相，具体原理见本发明中线偏振设计部分。

对于线偏振光，开口大小Λ约为0.3λ_sp～0.6λ_sp；金膜厚度的确定：金膜厚度的确定主要考虑SP的激发效率。为避免高阶模式出现，影响激发效率，膜厚度通常应该选择在半个SP波长以内，选取在0.1λ_sp～0.3λ_sp。

仿真计算该结构在波长700-780nm的电场比率R，如图2(b)所示。从图中可以明显的看出电场比率在波长760nm时有一个极大值，对应的R值为1900，说明此时单列悬链线结构激发的SP沿着X轴正方向传播，能量几乎全部耦合到了结构的右边，定向激发效果最佳。依据消光比公式

(T_right和T_left分别为向右和向左传播的SP电场强度)计算得到对应的消光比为33dB，而现有文献中消光比多为20dB左右,可见悬链线结构在单向激发器件中有比较明显的优势。

另外，从图中可以看出在740-780nm波段范围内R值均大于10，代入消光比公式

可知在40nm范围内消光比大于10dB，而在一般的工程应用中消光比大于10dB即可满足要求，说明设计的单列结构可以在40nm带宽范围内实现有效地单向激发。

为了观察此时单向激发SP波的波前情况，计算了760nm波长入射时激发的电场分布，如图3(a)所示。从图中可以看出，电场分布主要集中在悬链线的右侧，左侧电场非常弱。根据耦合效率公式C＝E_sp/E₀(E_sp为SP电场强度，E₀为入射光电场强度)可以计算出此时SP沿X轴正方向和X轴负方向的耦合效率，分别为C_+x＝0.01和C_-x＝0，较好的实现了单向激发的功能。

同时从相位分布来看，其等相位线是一系列垂直于X轴的直线，如图3(b)中黑色虚线所示，与平面波的特征相符合，说明经过合理排布的悬链线单元能够激发出单向传输的平面波。

为更清楚的说明这一点，给出了图3(a)中白色虚线上的电场分布，如图3(c)所示。从图3(c)中可以看出，在悬链线右侧传播的电磁波呈现很规整的正弦形式，计算得出此电磁波的波长为λ＝750nm，与线偏振光入射时计算的激发波长λ_sp＝740nm相差不大，说明入射光经过悬链线结构激发出的SP以平面波的形式沿+X方向传播。同时可以看出振幅大小基本稳定在0.16v/m,说明SP波沿X方向的衰减不严重，也表明了此时SP的激发效率比较高。

阵列悬链线单向激发器设计与仿真

器件模型：从上述单列悬链线的特性可以看出，在740-780nm波段都具有单向激发的特征，在波长760nm时消光比已经可以达到33dB，但此处还只利用了Y方向的干涉相消，如果进一步考虑到X方向的干涉相消的话，单向激发的消光比还有进一步提升的空间，同时也考虑到单列器件的面积过小，耦合不好控制，测量时很不方便，因此在实际制备单向激发器件时考虑将其做成阵列形式。

器件模型如图4所示，首先在二氧化硅基底上镀上一层金膜，厚度130nm，然后在金膜上刻蚀悬链线的阵列结构，刻蚀深度与金膜厚度相同。阵列周期的设计考虑干涉叠加条件，即满足T_x＝2π/k_sp。这样可以保证每列结构激发的SP实现相干相长，通过相邻悬链线间相互耦合，使激发的SP在激发方向干涉叠加增强，从而可以提高激发SP的耦合效率和消光比。

T_y的具体计算思路与T_x相同，首先根据公式

计算出对应SP激发波长，其中金的介电常数ε_Au＝-21.09+1.55i，空气的介电常数ε_air＝1，然后令T_y＝λ_sp/2即可。

考虑到器件尺寸大小将超表面结构设置为10行5列，插图为设计结构的周期参数示意图。在上述模型基础上，以最大消光比为目标对器件的结构参数进行了优化，所得参数如表2所示：

表2优化后的悬链线阵列结构参数表

参数	腰宽Δ	开口大小Λ	金膜厚度t	Y轴周期T<sub>y</sub>	X轴周期T<sub>x</sub>
						数值(nm)	290	270	130	360	730

器件功能仿真与分析：利用FDTD仿真软件首先对器件的消光比进行了计算，Y方向边界条件设为周期边界其余条件不变，结果如图5所示。为对比分析将单列结构的消光比曲线重绘于此。

从图中可以看出，通过列与列之间的耦合，阵列结构的消光比得到了进一步的提高，最大值达到了35dB。近年来文献中提到的一些结构和工作性能，通过对比可以看到现有文献中的消光比多在20dB左右，2019年的文献达到了25dB左右，而本文结构的消光比达到了35dB，高出了10dB，提高了40％，充分说明了悬链线结构在定向激发器件设计中有明显优势。

从带宽情况来看，在波长715nm到775nm范围内的消光比均大于10dB，带宽大约为60nm，单列结构大约为40nm，可见阵列超表面结构也有助于增加工作带宽。

为了更好的观察单向激发现象，计算了峰值波长750nm对应下的SP电场分布，如图6所示。图6(a)为750nm的X线偏振光入射悬链线阵列时激发的SP在金膜-空气界面处的电场分布图，可以很明显的看出，在阵列结构的右侧(+X方向)有SP分布，而结构的左侧(-X方向)几乎无SP分布，很好的显示了场分布的单向特性。图6(b)为单列结构表面电场强度分布图，与6(a)阵列结构表面电场分布对比可以看出，阵列结构激发的电场分布明显强于单列结构电场分布。

利用耦合效率也能分析单向激发情况。根据耦合效率公式C＝E_sp/E₀计算单向激发器沿+X方向的SP耦合效率为C_+x＝0.18，沿-X方向的耦合效率为C_-X＝5.95×10^-5。可见沿X轴正方向的耦合效率远大于沿X轴负方向的耦合效率，进一步说明了场是沿X正方向激发。与单列悬链线相比，悬链线阵列沿X轴正方向激发的耦合效率增加了约14倍，可见阵列结构通过耦合后把入射能量更多的转换成了表面场。

前面理论分析时指出，该阵列结构在Y线偏振入射下不会出现单向激发现象，为验证理论分析，图7给出了Y线偏振光入射时金膜上表面电场分布(波长750nm)。可以看出器件的表面除了悬链线结构处明亮，其它位置无明显的激发现象，说明场主要集中在悬链线孔径附近，没有在金膜表面传输，这与X偏振光入射时明显不同。图7(b)是电场剖面图(XZ面)，剖面线位置如图(a)中白线所示，也能清楚的看到入射光主要是从悬链线孔径中透射出来，没有在X方向单向传输。

计算了此时的耦合效率，分别为C_+x＝2.58×10^-4和C_-x＝1.78×10^-5，值都非常小，说明无论沿X轴正向还是负向都几乎没有能量耦合出来，也就是说此阵列结构对于Y线偏振光没有单向激发的功能。这也从一个侧面说明了悬链线器件的设计中，悬链线的开口方向与光的偏振态需要仔细考虑才行。

影响因素分析：上面给出的器件功能都是在最优参数的情况下计算的，实际上很多因素都会影响到该器件的单向传输效果，比如悬链线腰宽、深度、周期等，下面分别简要分析。仍然采用FDTD进行仿真计算，结果如图8所示。

图8(a)为腰宽对电场比率R的影响，可见对于不同的腰宽R值随波长变化趋势相同都存在一个波峰，但峰值波长和R值大小是不同的。随着腰宽的增加，峰值波长有红移的趋势，这是因为SP共振波长与狭缝宽度有关，因此在设计器件时要根据目标波长来调节悬链线腰宽，长波对应的腰宽要大。另外，峰值则随腰宽先变大后减小，说明随着缝宽度的增加，SP模式通过金属纳米孔散射的耦合效率逐渐降低，不过，从带宽来看，不同腰宽下R>10的带宽均约为40nm，没有太大变化，说明腰宽对器件带宽的影响较小。

图8(b)为金膜厚度对R值的影响。从图中可以看出对于不同厚度的金膜，激发的有效带宽均约40nm，说明腰宽确定时，激发带宽受金膜厚度影响不大。另外可以观察到，当金膜的厚度增加时，R的峰值位置几乎在760nm处保持不变，说明厚度不影响器件的目标波长，可以降低对金膜均匀性的要求，这为器件加工提供了方便。不过，也可以看到，随着金膜厚度的增加，峰值发生了改变。当金膜厚度t＝120nm时，对应的峰值为50，金膜厚度t＝130nm时，对应峰值为92，金膜厚度t＝140nm时，对应的峰值为65，所以为了获得更好的单向特性对金膜厚度的控制也是有必要的。

图8(c)为周期T_y对R的影响，可以看到不同的Y方向周期对电场比率R的影响较大，T_y仅相差10nm，但峰值R从1800下降到300，所以T_y的设计必须非常仔细，要先根据理论值(T_y＝λ_sp/2)给出大致的优化范围才方便设计，否则很难找到最优值。另外还可以看到T_y的大小对峰值的位置和带宽影响不大，优化策略制定时要以R值为主要目标参数。

图8(d)给出的是周期T_x对R的影响，趋势和结论与T_y大致相同，不再赘述。

通过对比上述的结果可知，悬链线腰宽、金膜厚度、周期变化均会影响到悬链线超表面结构单向激发器的性能，但影响规律不尽相同，因此在设计悬链线超表面单向激发器件时要根据实际情况制定合适的优化策略，然后通过逐点扫描的办法来寻求结构参数的最优值。这也可以为其他悬链线器件，比如圆偏振单向激发器、多向分束器、超透镜、矢量光束产生等设计时提供参考。

圆偏振光单向SP激发器设计

理论模型：当圆偏振光入射悬链线单元结构时，在光的自旋轨道相互作用下，产生的SP几何相位为

其中ζ(x)＝πx/Λ，σ＝±1，分别代表右旋圆偏振光(RCP)和左旋圆偏振光(LCP)。

那么当悬链线开口方向沿着X轴正方向时，如图9所示，悬链线结构产生的几何相位要更改为φ(y₀)＝2σζ(y₀)。则圆偏振光入射悬链线结构，激发的SP沿金膜/空气界面传播到悬链线外一点Q(x，y)时，得到的沿X轴传播的SP电场的可以表示：

其中，正(+)和负(-)分别对应沿Y轴正方向和负方向传播的SP。k_sp是波矢量，y₀是悬链线上点A的纵坐标，k_sp(y-y₀)为传播相位，

是悬链结构产生的几何相位。

由于定向激发要求SP沿一个方向干涉叠加。以沿+Y方向传播的SP为例，当LCP光照射悬链线纳米孔结构时，若要实现单向激发则需要满足以下相位条件：

k_spy₀-φ(y₀)＝0 (16)

将k_sp＝2π/λ_sp和

代入(3.11)式中可以推得λ_sp＝Λ，即当激发波长等于悬链线开口大小时，单元结构在左旋圆偏振光(LCP)入射下可以实现一侧的消光，从而实现定向激发。此时，沿Y方向的电场强度可以写为

同理当右旋圆偏振光(RCP)入射时可以实现向相反方向的定向激发。

从上述理论模型可以看出，由于悬链线几何相位的存在，圆偏振光SP的方向调控与线偏振光有所不同，调控方向不是沿X轴方向，而是沿Y轴方向，正向或负向是可变的。当LCP入射时，沿+Y方向传输，RCP入射时将沿-Y方向传输。

器件功能仿真与分析：公式(17)和(18)给出的是单元悬链线结构对于圆偏振光入射时的响应，和前面关于线偏振的单向激发讨论一样，单元悬链线要形成有效的单向激发还必须按照惠更斯－菲涅耳原理进行适当排列。具体操作方式是将悬链线单元(亚波长结构)看作单向激发的各向异性点源，然后将这些点源按照间距T_x排成一列，使激发的SP在结构一侧干涉叠加另一侧干涉相消，从而实现高消光比的定向激发。

设计的器件模型如图10所示，由一列悬链线单元构成，优化后的参数见表3。周期T_y＝480nm。悬链线单元参数：Λ＝600nm，截断为0.975Λ，即悬链线实际开口大小为Λ＝585nm，腰宽Δ＝120nm，金膜厚度t＝120nm。

表3圆偏振光悬链线单向器件结构参数图表

参数	腰宽Δ	开口大小Λ	金膜厚度t	X轴周期T<sub>x</sub>
					数值(nm)	120	585	120	480

腰宽Δ计算如同线偏振单向SP激发器的腰宽Δ计算，对于圆偏振光，开口大小Λ约为0.5λ_sp～λ_sp，膜厚度通常应该选择在半个SP波长以内，选取在0.2λ_sp～0.5λ_sp。

接下来计算该器件的单向激发特性，首先计算RCP入射时的情况，扫描波段为600-680nm，结果如图11所示。

从图11(a)是消光比曲线，从中可以看出在615nm到665nm范围内的消光比均大于10dB，即带宽约为50nm，峰值位置位于640nm处，最大消光比达到25dB，说明该器件对RCP具有较好的单向激发功能。为了观察激发方向，图11(b)给出了峰值消光比处对应的电场分布，可以明显看出此时激发的SP在Y方向上是单向传输的，电场几乎集中在Y轴负向，正向几乎没有电场分布，这与理论模型的预测是一致的，说明悬链线的几何位相在这里起到了调控SP场的关键性作用。

图11(c)给出了(b)图中剖面线所在位置的电场分布曲线，可以更清楚的看到电场在Y轴分布的不对称性。从色标显示的值可以看到，在Z＝0附近，即界面处-Y方向的电场强度约为0.5，而+Y方向的电场强度接近于零。计算了此时的耦合效率，分别为C_+Y＝2.50×10^-4和C_－Y＝0.07，也表明此时SP场主要是沿-Y方向传输的。同时也注意到，与上节设计的线偏振光入射单列结构激发耦合效率相比，圆偏振光入射下沿激发方向激发的SP耦合效率是其耦合效率的6倍，说明圆偏振入射下能量利用率更高。从图中还可以看到，表面电场沿Y轴具有消逝特性，这证明了在Au和空气的界面上的确激发出了SP场。

依据理论模型，当LCP入射时应该与RCP类似，只不过SP传输的方向应该沿+Y方向。对这种情况也进行了仿真分析，仿真波段和结构参数完全一致，只是将入射光的偏振状态从RCP改成了LCP，电场分布如图12所示。可见，激发的SP场沿+Y方向传输，场分布特征与RCP完全相同。从上述结论可以看出，所设计的悬链线结构对LCP和RCP能能实现不同方向单向激发，因此可以根据入射光的旋向对SP的激发方向进行调控。

影响因素分析：本发明设计的单列悬链线超表面结构，实现了圆偏振光入射下激发方向可调的高消光比的单向激发，不过单向激发效果实际上与悬链线几何尺寸和周期间距等参数紧密相关，因此有必要分析不同参数对单向激发的影响，仿真结果如图13所示。

不同悬链线腰宽对应的R值随波长变化关系如图13(a)所示。从图中可以看出不同腰宽下计算的R值随波长增加先变大后减小，且有效激发带宽均约为45nm，说明激发的SP有效带宽不受腰宽影响。另外从图中可得知当金膜厚度不变时，对于不同腰宽的悬链线都存在一个峰值，峰值的位置在640nm左右不变，当Δ＝110nm时，峰值大小为235；当腰宽Δ＝120nm时，峰值最大为290；当腰宽Δ＝130nm时，峰值大小为255。可见对于圆偏振光入射，腰宽不是峰值位置的主要影响因素，这是因为圆偏光入射下的单向激发主要是由悬链线结构的几何相位调控产生，但腰宽会影响R值，只有在合适腰宽下单向激发效果最佳。

图13(b)所示为不同悬链线深度t对应的R值随波长变化关系。从图中可以看出当悬链线腰宽和周期保持不变时，对于不同的t值，R的比值变化趋势一致，都存在一个峰值且有效激发带宽为45nm。但是随着t的变化，峰值对应的位置及峰值的大小会发生相应改变。当t＝110nm时，波峰位置为645nm，对应峰值大小为145；当t＝120nm时和130nm，波峰位置均为640nm，但对应峰值不同分别为290和255。可知在圆偏振光入射下t会影响峰值大小和位置，且在一定范围内随着深度t的增加，峰值的位置会发生蓝移。

图13(c)所示为改变阵列结构的周期T_y时R随波长变化趋势。从图中可以得知T_y值在一定范围内对峰值位置影响不大，峰值对应波长在640nm左右。当Y轴周期T_y值为470nm和490nm时，对应的峰值约为285；当T_y＝480nm时，峰值最大为290nm，此时单向激发效果最佳。可知对于圆偏振入射下的单向激发，Y轴方向的周期变化在一定范围内对峰值的位置影响不大，但峰值的大小会发生变化，只有在合适的周期间距下才能实现高消光比的单向激发。

通过对比上述的结果可知，当圆偏振光入射时，R的峰值对应波长主要由悬链线结构深度t控制，在一定范围内，随着t值的增加发生蓝移。值得注意的是，虽然在圆偏振光入射下，悬链线腰宽和周期间距在一定范围内不会影响峰值位置，但是峰值大小会发生改变，且只有在最佳的结构参数和周期间距下才能实现高消光比的单向激发。

SP多向分束器设计

上文分别设计了针对线偏振光的X方向单向激发器和圆偏振光入射激发时的Y方向单向激发器。在上述两种激发器件的基础上设计一种多向SP分束器。

理论模型：根据悬链线结构在不同入射光下的模式特点，可得知悬链线单元结构在X线偏振光、Y线偏振光、LCP、RCP入射下都存在特定的激发方向，这为基于悬链线结构的SP分束器的实现提供了可行性。

结合模式分析和悬链线几何相位调控原理可知，当X线偏振光入射悬链线单元结构时，激发的SP电场主要沿X轴正方向传播，此时在金膜表面对应的SP电场分布可写为

当Y线偏振光入射悬链线纳米孔单元结构时，可知在X轴方向无SP激发，因此在金膜表面激发的SP电场分布为

其中，

激发的SP沿着Y轴正方向和Y轴负方向传播。

当LCP入射悬链线纳米孔结构时，激发的SP电场表达式可以写为

将(19)和(20)式代入(21)式中，可得

因此，当LCP入射时激发的SP沿X轴正方向传播和Y轴正方向传播。

同理当RCP入射时，激发的SP电场表达式可以写为

激发的SP沿X轴正方向和Y轴负方向传播。

由于悬链线单元结构在不同偏振态入射下激发的SP都存在特定的传播方向，结合悬链线结构亚波长尺寸特点，可以根据惠更斯－菲涅尔原理将悬链线结构按照一定周期间距设计成超表面结构，使悬链线单元结构在不同偏振态入射下，沿特定方向激发的SP干涉叠加(k_spd＝2π)，从而实现在不同偏振光入射下的分束现象。下面进行分束器超表面结构设计并使用FDTD进行仿真分析。

器件功能仿真与分析分析：图14所示为设计的多向分束器，考虑到器件大小和各方向的SP耦合效率，单元结构几何尺寸与圆偏振光入射下的单元结构尺寸相同，阵列结构设置为4行4列。

经过数值优化发现当波长为618nm时，在不同偏振态的光入射下能实现激发方向不同的分束现象，此时金的介电常数为ε_Au＝-8.961+1.179i，计算得出激发波长λ_sp＝585nm，因此阵列结构在X轴和Y轴方向的周期为d＝λ_SP＝585nm。结构参数如表4，下面使用FDTD仿真软件对不同偏振态的入射光进行数值仿真分析。

表4多向分束器参数图表

参数	腰宽Δ	开口大小Λ	金膜厚度t	阵列周期d
					数值(nm)	120	585	120	585

腰宽Δ计算如同线偏振单向SP激发器的腰宽Δ计算，对于圆偏振光，开口大小Λ约为λ_sp，膜厚度通常应该选择在半个SP波长以内，选取在0.2λ_sp～0.5λ_sp。

如图15所示分别为RCP、LCP、X线偏振和Y线偏振入射时，沿±X和±Y方向激发的SP耦合效率随波长变化关系，仿真波段为550nm-750nm可见光范围。当RCP入悬链线超表面结构时沿不同方向激发的SP耦合效率如图15(a)所示，沿+X和-Y方向传播的SP激发效率大于10％，沿-X和+Y方向传播的SP激发效率相对于+X和-Y方向的激发效率较低，且在波长为618nm附近的耦合效率低于5％，存在明显的抑制SP激发现象，此时激发的SP主要沿+X方向和-Y方向传播。

图15(b)所示为LCP入射时沿不同方向激发的SP耦合效率，从图中可以看出，当入射光为LCP时，沿+X和+Y方向传播的SP激发效率大于10％，在波长618nm附近时，沿-X方向和-Y方向传播的SP激发效率低于5％，SP主要沿+X方向和+Y方向传播。

图15(c)为X线偏振光入射此分束器超表面时，沿不同方向激发的SP耦合效率。从图中可以看出当X线偏振光入射时，在波长570nm-700nm内，激发的SP沿+X传播的耦合效率大于10％,在波长550nm-750nm内沿±Y传播的SP耦合效率小于10％。而沿±Y方向传播的SP激发效率相同，这是因为X线偏振光入射时，悬链线结构的激发模式是对称模式。当波长为618nm附近时，沿+X方向传播的SP耦合效率明显高于其它三个方向，激发的SP主要沿着+X方向传播。

当Y线偏光入悬链线超表面结构时沿不同方向激发的SP耦合效率如图15(d)所示。从图中可以看出当Y线偏振光入射阵列结构时，沿±Y方向的SP耦合效曲线几乎重合，而沿±X方向激发的SP耦合效率接近零，这是Y线偏振入射下悬链线结构的模式特性造成的。在570nm-640nm波段内，沿±Y方向传播的SP激发效率大于10％，当波长625nm时，耦合效率最高为20％。在Y线偏振入射下，激发的SP沿着+Y和-Y方向传播。

为了更直观的观察不同偏振光入射此多向分束器激发的SP传播情况，以波长618nm为例计算了不同偏振光入射时在此器件金/空气界面(XY平面)的电场分布图，如图16所示。如图16(a)所示，RCP入射时，激发的SP电场主要沿着+X方向和-Y方向传播，图(b)显示LCP入射时，激发的SP电场主要沿着+X方向和+Y方向传播，图(c)显示当X线偏振光入射时，激发的SP沿着+X方向传播，图(d)显示当Y线偏振入射下激发的SP沿着+Y方向和-Y方向传播，在X轴方向无明显的激发现象，电场仿真结果与光谱曲线图相吻合。

由此可见，所设计的悬链线分束器可以对不同偏振态入射光实现的分束现象，功能总结如下：当RCP入射时，激发的SP主要沿+X和-Y传播；当LCP入射时，激发的SP主要沿+X和+Y传播；当X线偏振光入射时，激发的的SP主要沿+X方向方向传播；Y线偏振光入射时，激发的SP主要沿±Y方向传播。

可片上集成的多功能偏振检测器初步设想：适当设计的悬链线阵列结构可以根据入射光的偏振状态进行分束，可以用来实现偏振状态检测或者光路由。由于结构尺寸非常小(微米量级)，集成度可以做到很高，从而实现可片上集成的功能器件。

图17是初步设想的多功能偏振检测器示意图，以基于悬链线结构设计的分束器为核心，在器件四周(+X方向、-X方向、-Y方向和+Y方向)分别放置4个光电检测器，光电检测器设置一定的检测阈值，只输出0和1两种逻辑状态。当入射光从器件底部垂直入射时，由于不同偏振态的光会产生不同方向的分束，因此光电检测器可以输出不同的逻辑组合，从逻辑组合就可以判断出此时入射光的偏振状态。

依据前面的理论分析结果，将耦合效率大于10％定义为光电检测器的逻辑状态1，耦合效率低于10％定义为逻辑状态0。器件在500nm-700nm波段范围内均有很好的响应。逻辑功能表见表3.6所列。当输出逻辑状态为1010，说明入射光是右旋圆偏振光；当输出为1001时，说明入射光是左旋圆偏振光；同理，对应的X线偏振光输出逻辑状态为1000；Y线偏振光的输出逻辑状态为0011。

该检测器的响应速度非常快(实际上悬链线阵列的响应速度为光速响应，所以主要取决于光电探测器的响应速度)，同时功能多、体积小，单片即可检测各种偏振状态，与现有光学检偏器相比具有高效、可集成、灵敏度高、操作简单的优点，由于时间关系本部分工作还在进行之中。

表5可片上集成的多功能偏振检测器逻辑功能表

+X	-X	-Y	+Y	对应偏振态
					1	0	0	0	X线偏振
0	0	1	1	Y线偏振
					1	0	1	0	右旋圆偏振光RCP
1	0	0	1	左旋圆偏振光LCP

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 (8)

1.一种线偏振光单向SP激发器，其特征在于，所述SP激发器包括：

二氧化硅基底及金膜，金膜镀于二氧化硅基底上，金膜的厚度为：0.1λ_sp～0.3λ_sp，λ_sp为入射光的波长；

在金膜上设有一列列悬链线结构，列悬链线结构由若干悬链线单元组成，悬链线单元呈列排列，且在排列方向上周期性的分布，在排列方向上的排列周期为：半个SP波长，即

其中，悬链线单元的腰宽为(m-0.5)λ_sp，m的取值为正整数，开口大小为0.3λ_sp～0.6λ_sp，悬链线单元沿行方向开口。

2.如权利要求1所述线偏振光单向SP激发器，其特征在于，若金膜上设有n列列悬链线结构，n≥2，n列悬链线沿行方向周期性的分布，在行方向上的分布周期为：一个SP波长，即λ_sp。

3.基于权利要求1或2所述线偏振光单向SP激发器的偏振检测方法，其特征在于，所述方法具体如下：

将悬链线单元的开口方向定义为X正轴，入射光从线偏振光单向SP激发器的底部入射，若线偏振光单向SP激发器激发的SP沿X正轴传播，则入射光为线偏振光。

4.一种圆偏振光定向SP激发器，其特征在于，所述SP激发器包括：

二氧化硅基底及金膜，金膜镀于二氧化硅基底上，金膜的厚度为：0.2λ_sp～0.5λ_sp，λ_sp为入射光的波长；

在金膜上设有一行悬链线结构，行悬链线结构由若干悬链线单元组成，悬链线单元呈行排列，且在排列方向上周期性的分布，在排列方向上的排列周期为：一个SP波长；

其中，悬链线单元的腰宽为(m-0.5)λ_sp，m的取值为正整数，开口大小为0.5λ_sp～λ_sp，悬链线单元沿行方向开口。

5.基于权利要求4所述圆偏振光定向SP激发器的偏振检测方法，其特征在于，所述方法具体如下：

将行所在方向定位为X轴，列所在方向定义为Y轴，悬链线单元的开口方向定义为X正轴，X正轴逆时针旋转90度所在的方向为Y正轴；

当入射光从圆偏振光定向SP激发器的底部入射时，若圆偏振光定向SP激发器激发的SP沿Y正轴传播，则为左旋圆偏振光，若沿Y负轴传播，则入射光为右旋圆偏振光，若圆偏振光定向SP激发器激发的SP沿Y正轴及Y负轴传播，则入射光为Y线偏振光。

6.一种SP多向分束器，其特征在于，所述SP多向分数器包括：

二氧化硅基底及金膜，金膜镀于二氧化硅基底上；

在金膜上设置有阵排列的悬链线单元，在行方向上的排列周期为：一个SP波长，在列方向上的排列周期为：半个SP波长；

其中，悬链线单元的腰宽为(m-0.5)λ_sp，m的取值为正整数，开口大小为λ_sp，悬链线单元沿行方向开口，λ_sp为入射光的波长。

7.如权利要求6所述SP多向分束器，其特征在于，金膜的厚度为0.2λ_sp～0.5λ_sp。

8.基于SP多向分束器的偏振检测方法，其特征在于，所述方法具体如下：

将行所在方向定位为X轴，列所在方向定义为Y轴，悬链线单元的开口方向定义为X正轴，X正轴逆时针旋转90度所在的方向为Y正轴；

入射光从SP多向分束器的底部入射，若SP多向分束器激发的SP沿X正轴传播时，则入射光为X线偏振光；若SP多向分束器激发的SP沿Y正轴及Y负轴传播时，则入射光为Y线偏振光；若SP多向分束器激发的SP沿Y负轴及X正轴传播时，则入射光为右旋圆偏振光RCP；若SP多向分束器激发的SP沿Y正轴及X正轴传播时，则入射光为左旋圆偏振光LCP。

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