一種不依賴偏振的表面等離激元定向耦合器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米光子學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及一種不依賴偏振的表面等離激元定向耦合器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離激元SPPs是束縛在金屬-介質(zhì)界面上的橫磁TM電磁波模式。由于其優(yōu)異的亞波長場束縛和強的場增強效應(yīng)，SPPs被認(rèn)為是潛在的下一代信息載體。把自由空間光耦合到SPPs對研宄等離激元器件的性能至關(guān)重要。這催生出了很多SPP單向耦合器件方面的研宄。單向耦合器件可以將自由空間光高效地耦合成在金屬平面或者脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，沿指定或者感興趣的方向傳播的SPPs。然而，由于SPPs本身的偏振依賴特性(TM偏振)，只有P偏振(磁矢量平行于SPPs的磁場方向)的入射光可以被耦合成SPPs。所以s偏振(磁矢量垂直于SPPs的磁場方向)攜帶的能量和信息就完全丟失了。最近，有報道用圓偏振的入射光可以在一定程度上克服SPPs耦合過程中對偏振的依賴。由于任何偏振的入射光都可以被分解成兩個互相垂直的線偏振成分，這可以用來解釋很多光學(xué)現(xiàn)象和效應(yīng)(包括光學(xué)克爾效應(yīng)，光學(xué)雙折射，電光效應(yīng))。所以，用P偏振或者S偏振的入射光定向親合出SPPs可能更具有實際意義。但由于SPPs的P偏振依賴特性，用s偏振的入射光定向耦合出SPPs是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出了一種在亞波長的脊形波導(dǎo)上加工有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)P偏振和S偏振入射光都能定向耦合出SPPs，從而解決SPP定向耦合偏振依賴的問題。
[0004]本發(fā)明的一個目的在于提供一種不依賴偏振的表面等離激元定向耦合器。
[0005]本發(fā)明的表面等離激元定向耦合器包括:金屬薄膜、小孔、脊形波導(dǎo)和突起納米顆粒；其中，在金屬薄膜上設(shè)置有小孔；在金屬薄膜上并位于小孔兩端的位置對稱地設(shè)置兩個脊形波導(dǎo)，脊形波導(dǎo)寬度與小孔的寬度可以不一致，通過調(diào)節(jié)脊形波導(dǎo)的寬度w和高度h，使得脊形波導(dǎo)只支持單個SPP模式；在金屬薄膜上且位于小孔的一側(cè)設(shè)置突起納米顆粒，突起納米顆粒不完全覆蓋小孔的邊緣，形成有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)；入射光從背面照射有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)，電荷在有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)的尖角區(qū)域累積并形成熱點(hot spots);對于P偏振的入射光，電荷在脊形波導(dǎo)的尖角區(qū)域累積并形成熱點，熱點的輻射場耦合成沿著脊形波導(dǎo)傳播的SPP模式，從而P偏振的入射光耦合成沿脊形波導(dǎo)傳播的SPP模式；對于s偏振的入射光，電荷在突起納米顆粒的尖角區(qū)域累積并形成熱點，熱點的輻射場耦合成沿著脊形波導(dǎo)傳播的SPP模式，從而s偏振的入射光也能耦合成沿脊形波導(dǎo)傳播SPP模式，實現(xiàn)不依賴偏振的表面等離激元耦合器。
[0006]進一步，突起納米顆粒的中心不在小孔側(cè)面的中心位置上，從而形成了沿著脊形波導(dǎo)方向的不對稱的有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)，小孔一端的脊形波導(dǎo)遠離突起納米顆粒，而小孔另一端的脊形波導(dǎo)靠近突起納米顆粒。對于P偏振的入射光，在脊形波導(dǎo)的尖角區(qū)域累積電荷并形成熱點(hot spots)。并且在遠離突起納米顆粒的脊形波導(dǎo)上形成的熱點多于在靠近突起納米顆粒的脊形波導(dǎo)上形成的熱點個數(shù)，從而P偏振的入射光耦合的SPP模式主要沿著遠離突起納米顆粒的脊形波導(dǎo)傳播；對于s偏振的入射光，在突起納米顆粒的尖角區(qū)域累積電荷并形成熱點，突起納米顆粒的幾何結(jié)構(gòu)尺寸會影響熱點的輻射場方向，從而s偏振的入射光可以定向地耦合成的沿著脊形波導(dǎo)傳播的SPP模式。因此利用不對稱的有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)，可以在亞波長波導(dǎo)中實現(xiàn)了不依賴偏振的表面等離激元定向耦合器。
[0007]突起納米顆粒的幾何結(jié)構(gòu)尺寸會影響熱點的場分布，因此突起納米顆粒的幾何結(jié)構(gòu)尺寸影響SPP模式的強度。由于小孔結(jié)構(gòu)的不對稱性，相反方向的SPP模式的強度是不一樣的，因此可以通過調(diào)節(jié)突起納米顆粒的幾何結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)節(jié)SPP模式的強度。通過調(diào)整突起納米顆粒的幾何結(jié)構(gòu)尺寸，調(diào)節(jié)P偏振和S偏振耦合的SPP模式的強度的比重。
[0008]進一步，調(diào)整突起納米顆粒的幾何參數(shù)，使得P偏振和s偏振入射光耦合的SPP模式沿著相同方向在脊形波導(dǎo)上傳播。從而對于入射的線偏振光可以通過旋轉(zhuǎn)入射光的偏振角度，很容易地調(diào)節(jié)耦合出的SPP模式的強度。突起納米顆粒的幾何參數(shù)包括:截面幾何尺寸以及距小孔中心軸的位置。
[0009]金屬薄膜的厚度大于300nm ;脊形波導(dǎo)的寬度和高度均大于50nm ;小孔的長度在200nm?2μηι之間；突起納米顆粒的尺寸大于50nm。
[0010]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種不依賴偏振的表面等離激元定向耦合器的控制方法。
[0011]本發(fā)明的表面等離激元定向耦合器的控制方法，包括以下步驟:
[0012]I)在金屬薄膜上設(shè)置有小孔，在金屬薄膜上并位于小孔兩端的位置對稱地設(shè)置兩個脊形波導(dǎo)，脊形波導(dǎo)的寬度與小孔的寬度一致不需要一致，通過調(diào)節(jié)脊形波導(dǎo)的寬度W和高度h，使得脊形波導(dǎo)只支持單個SPP模式，在金屬薄膜上且位于小孔一側(cè)的位置設(shè)置突起納米顆粒，突起納米顆粒不完全覆蓋小孔的邊緣；
[0013]2)入射光從背面照射有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)，電荷在有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)的尖角區(qū)域累積并形成熱點(hot spot)；
[0014]3)對于P偏振的入射光，電荷在脊形波導(dǎo)的尖角區(qū)域累積并形成熱點，熱點的輻射場耦合成沿著脊形波導(dǎo)傳播的SPP模式，從而P偏振的入射光耦合成沿著脊形波導(dǎo)傳播的SPP模式；
[0015]4)對于s偏振的入射光，電荷在突起納米顆粒的尖角區(qū)域累積并形成熱點，熱點的輻射場耦合成脊形波導(dǎo)傳播的SPP模式，從而S偏振的入射光也能耦合成沿脊形波導(dǎo)傳播的SPP模式，實現(xiàn)不依賴偏振的表面等離激元耦合。
[0016]本發(fā)明的表面等離激元定向耦合器的控制方法還包括，通過調(diào)整突起納米顆粒的幾何參數(shù)，調(diào)節(jié)P偏振和S偏振耦合的SPP模式的強度的比重。
[0017]進一步，調(diào)整突起納米顆粒的幾何參數(shù)，使得P偏振耦合的SPP模式沿著相同的方向在脊形波導(dǎo)上傳播。從而對于入射的線偏振光，可以通過旋轉(zhuǎn)入射光的偏振角度，調(diào)節(jié)耦合出的SPP模式的強度。
[0018]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0019]本發(fā)明提出在亞波長的脊形波導(dǎo)上加工不對稱的有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)用P偏振和S偏振入射光定向耦合出SPP模式；考慮到光子回路中的單模工作條件，亞波長的脊形波導(dǎo)已被優(yōu)化至只支持單個模式；由于缺陷的影響，P偏振和s偏振的入射光都可以定向地耦合出沿脊形波導(dǎo)傳播的SPP模式；通過調(diào)整缺陷的幾何參數(shù)，P偏振和s偏振的入射光耦合出的SPP模式既可以沿相同也可以沿相反方向傳播。在沿相同方向傳播的情況下，可以充分利用s偏振的入射光調(diào)制總的耦合出的SPP模式的強度。在沿相反方向傳播的情況下，偏振編碼的入射光的信息就被保留下來了。所以，在這個超小的有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)中，P偏振和s偏振的入射光都可以被定向地耦合成沿脊形波導(dǎo)傳播的SPP模式，所以SPP模式的耦合過程是可以不依賴偏振。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的不依賴偏振的表面等離激元定向耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，(a)為有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)的示意圖，(b)為脊形波導(dǎo)的剖面圖，(c)為脊形波導(dǎo)支持的SPP模式的場分布圖，⑷為無缺陷的小孔結(jié)構(gòu)的樣品的掃面電子顯微鏡SEM圖，以及(e)為有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)的樣品的掃面電子顯微鏡圖；
[0021]圖2為入射光從背面照射時，無缺陷的小孔結(jié)構(gòu)與本發(fā)明的有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)耦合的SPP模式對比圖，其中，(a)和(b)分別為P偏振和s偏振的入射光從背面照射無缺陷的小孔結(jié)構(gòu)的電場分布圖，(c)和(d)分別為實驗中P偏振和s偏振的入射光從背面照射有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)的電場分布圖，(e)和(f)分別為理論計算P偏振和s偏振的入射光從背面照射有缺陷的小孔結(jié)構(gòu)的電場分布圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的不依賴偏振的表面等離激元定向耦合器的得到的P偏振和s偏振的耦合的SPP模式的干涉圖，其中，(a)為P偏振和s偏振的入射光合成得的線偏振光與脊形波導(dǎo)有45°夾角，(b)為P偏振和s偏振的入射光合成得的線偏振光與脊形波導(dǎo)有-45°夾角，(c)為45°夾角的數(shù)值計算得到的場分布圖，(d)為-45°夾角的數(shù)值計算得到的場分布圖，(e)線偏振光親合出的SPP模式的強度與偏振方向的關(guān)系，(f)線偏振光親合出的SPP模式的強度與偏振方向的關(guān)系；
[0023]圖4為實施例二的P偏振和s偏振雙向耦合的SPP模式的電場圖，其中，(a)為實施例二的掃面電子顯微鏡圖，(b)和(c)分布為入射光λ = 780nm的p偏振和s偏振I禹合得到的電場CCD圖，(d)和(e)分別為數(shù)值計算得到的場分布圖；
[0024]圖5(a)至(C)分別為實施例三中，改變突起納米顆粒的結(jié)構(gòu)參數(shù)％和L d，數(shù)值計算得到的P偏振和S偏振耦合的SPP模式的強度，圖5 (d)至(f)分別為兩個缺陷結(jié)構(gòu)對稱放置在小孔兩側(cè)時改變突起納米顆粒的結(jié)構(gòu)參數(shù)％和L d，數(shù)值計算得到的P偏振和s偏振耦合的SPP模式的強度；
[0025]圖6為實施例一中，入射光為圓偏振時SPP模式的激發(fā)圖，其中，(a)和(b)分別是數(shù)值計算得到的右旋和左旋圓偏振的入射光從背面照射樣品時，波導(dǎo)上面10nm處