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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术的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。

【技术实现步骤摘要】
基于非对称纳米沟槽结构宽带SPPs单向激发器及控制方法
本专利技术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。
技术介绍
表面等离激元(SurfacePlasmonPolaritons)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。
技术实现思路
针对以上现有技术存在的问题，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智，廖慧敏，姚文杰，刘尚，孙成伟，陈建军，龚旗煌，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11