[发明专利]基于亚波长狭缝结构表面等离子体定向激发器

说明书

技术领域

本发明为一种微纳光学器件，具体涉及一种基于亚波长狭缝侧入射和底端入射来实现表面等离子体激元单向激发的模型。

背景技术

等离子体激元和光子耦合的表面等离子体激元被限制在金属--介质界面中。大部分等离子作用是由于电磁波与金属表面的自由电子耦合的表面等离子激元引起的。当表面等离子激元沿着金属表面传播的时候，只有在端口处才会出现电磁场，并且向两侧以指数衰减。因为他们能打破衍射极限，并在亚波长尺度处操纵光，表面等离子激元被认为是有希望用于构成下一代超紧凑的集成光子电路。因此等离子波导结构的研究引起了广泛的关注，其中金属-绝缘体-金属等离子体波导是最热的研究之一。基于金属-绝缘体-金属的波导结构已经被证实，可以实现各种应用，如分离器、逻辑门、偏振器和波导耦合器。在这些应用中，等离子信号分离器一直是研究热点。金属-绝缘体-金属波导光圈耦合等离子槽腔或环谐振器的提出及其仿真结果，表明了它可以实现多路分离。人们对从矩形的环形谐振器与直接连接的输入和输出波导构成的新型等离子功率分配器进行了仿真研究。并且提出了基于所述金属-绝缘体-金属非波序列光栅的多通道的纳米过滤器。

近年来，随着微纳米加工技术的快速发展，通过使用金属-绝缘体-金属波导不定向激发和控制的表面等离子激元波导已经成为热点之一。几个亚波长的金属结构被提出来来实现表面等离子激元，如具有两个狭缝、一个狭缝和一个凹槽、两个空腔、一个放大的狭缝、两个凹槽，其中对称分布的狭缝阵列具有不同的介质的金属-绝缘体-金属波导的定向激发。

发明内容

本发明提供一种基于亚波长狭缝侧入射和底端入射来实现表面等离子体激元单向激发的模型，主要提供了一种通过改变狭缝的宽度和狭缝与狭缝之间的距离来控制表面等离子体基 元的激发方向和分光比大小的方法。

本发明的技术方案如下：该基于亚波长狭缝侧入射和底端入射来实现表面等离子体激元单向激发的模型包括设置在介质层两侧的金属层，介质层下方的金属层内设置两个矩形狭缝，两个矩形狭缝的宽度与介质层的厚度都不相同。矩形狭缝为纳米矩形狭缝，金属层为银质金属层，矩形狭缝内填充有二氧化硅材料。

本发明的有益效果如下：表面等离子体单向激发的模型由金属-介质-金属结构组成，该结构具有极强的光束缚效应，能突破衍射极限的限制，在纳米尺度对光进行传输。该单向激发模型最小的表面等离子激元分光比大于6，这证明了该结构设置有良好的表面等离子激元不定向激发。与使用基于侧照射两个狭缝的情况相比，可以通过使用两个双狭缝来增强干涉的强度和分裂效应，最好分光比约为30。这些设计将在微纳米集成光学和光通信上有着广泛使用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为矩形狭缝宽度与有效折射率的关系图；

图3为两个矩形狭缝之间的距离和分束比的关系图；

图4为不同距离取值下的光场强度图；

图5为距离为460纳米和距离为805纳米时的光场分布图；

图6为侧入射下的两个双矩形狭缝的结构示意图；

图7为距离为960纳米和距离为4600纳米时的光场分布图。

具体实施方式

下面结合附图详细阐述本发明的实施方式：

本发明基于亚波长狭缝侧入射和底端入射来实现表面等离子体激元单向激发的模型主要由金属(银)层、主波导、矩形狭缝这几部分构成，详见图1。金属层(平板)可利用激光分 子束晶体外延生长系统制作。主波导，矩形狭缝可利用聚焦离子束刻蚀技术对金属平板进行刻蚀获得。首先，我们采用的是底端入射该结构，此时的结构W₁＝100纳米，两个狭缝的宽度分别是W₂＝100纳米，W₃＝150纳米。狭缝的长度t＝300纳米。入射光波长为632.8纳米时，有效折射率随着狭缝宽度W的变化见图2。使用近场干涉原理，我们可以对SPPs进行左方向的干涉或者是右方向的干涉。通过计算，我们使得狭缝的长度t满足一定的条件，只改变狭缝之间的距离d，就会得到周期性变化的分光比。详见图3。从图3中，可以发现当距离d＝500纳米时对应波谷，并且可以得到等离子体基元向左激发的结果，分光比为约10：1。当d＝540纳米时，对应于波峰，等离子体向右激发的结果可以实现，分光比为约27：1。当距离d分别为518纳米和670纳米时，分光比T为1。光沿着两侧传播，几乎有着相同的强度。详见图4。除了探讨入射光从底端入射的情况，下面研究光从侧面入射的情况。使用近场干涉原理，并使得上面银表面的两个出口的干扰分量之间的相对相位延迟满足光波干涉原理，发现狭缝长度t等于380纳米时，当距离d为460纳米时，可以达到等离子体激元向左传播的结果，分光比约为6：1。当距离d为805纳米时，则可以达到等离子体激元向右传播的结果，分光比约为8:1。详见图5。最后探讨两个双狭缝的结构，详见图6。将一个双狭缝看成一个单元，通过改变两个单元之间的距离L，发现当L为960纳米，可以得到最好的不定向激发向左的结果，分光比约为20：1。当单元之间的距离L为4600纳米，可以得到最好的不定向激发朝向右的结果，分光比约为30：1。多单元的效果比使用一个单元更好，并且光强度得到增强，详见图7。在以上的研究中最小的SPPs分光比大于6，这证明了设计的结构设置有良好的表面等离子激元定向激发效果。与使用底端照射仅两个狭缝的情况相比，可以通过使用两个双狭缝来增强干涉的强度和分裂效应，最好分光比约为30。可以相信这些设计将在微纳米集成光学和光通信上有着广泛使用。