[发明专利]一种基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，尤其涉及一种基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器。

背景技术

表面等离激元（Surface Plasmon Polariton）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单向激发器，即让激发出的SPPs向特定方向传播。但是这种单向激发器只能控制一个方向有效的消光。更进一步的，能使不同波长SPPs向相反方向传播的双向SPPs分束器件也得以实现。与单向激发器相比，双向SPPs分束器能够实现更多的功能，也有更广阔的应用，但是结构更加复杂，也难以制备，因此，这方面的工作目前还比较少。通过在纳米单缝两侧加两个周期不同的光栅，可以引导与周期相对应波长的SPPs向该方向传播。但这些额外的光栅结构极大的增加了SPPs分束器的尺寸，不利于高度集成。再者，在非对称的纳米单缝上覆盖一层有限厚度的介质膜也能实现SPPs的分束，但是由于增加了介质膜，缩短了SPPs的传输距离，同时降低了器件设计和加工上的灵活性。最近，有人提出利用尺寸不同的纳米沟槽对SPPs的不同反射特性，即制备一对平行的宽度不同的纳米沟槽来实现亚微米的分束器，但分束比过低，在分束波长650nm和750nm分别只获得了3:1和1:2的分束比。

发明内容

针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器。

本发明的目的在于提供一种基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器。

本发明的基于复合腔结构的亚微米表面等离激元分束器包括：金属薄膜；在金属薄膜上设置有穿透金属薄膜上表面和下表面的纳米缝；在纳米缝的一侧设置有纳米沟槽，形成非对称纳米单缝；在纳米沟槽的下方集成金属-介质-金属MIM垂直腔。

金属薄膜的厚度≥400nm，材料采用金或银等贵重金属。

设置在金属薄膜上的纳米缝及在纳米缝的一侧的纳米沟槽，形成非对称纳米单缝，这种结构可以实现SPPs的单向激发。以在纳米缝的左侧设置纳米沟槽为例，当以电场方向垂直于纳米缝的偏振光作为入射光背入射时，纳米单缝的下半部分激发出两束SPPs，一束沿着纳米沟槽的底部向左传播SPP_L，另一束沿着金属薄膜的上表面向右传播SPP_R。向左传播的SPP_L的一部分在纳米沟槽的左壁与纳米缝的右壁之间来回反射，产生共振，从而纳米沟槽的左壁与纳米缝的右壁之间形成法布里-珀罗谐振腔（Fabry-Perot）FP谐振腔。向左传播的SPP_L的另一部分分别从纳米沟槽的左壁与纳米缝的右壁透射出去，从纳米缝的右壁透射出去的SPP_L与SPP_R相互叠加，调节FP谐振腔的长度L_FP，可以调节这两个成分的相位差，当相位差等于π的奇数倍时，二者相干相消，向纳米缝方向传播的SPPs消光，对应的FP谐振腔的消光波长λ_FP等于入射光的波长。改变FP谐振腔的长度L_FP可以改变FP谐振腔的消光波长λ_FP。进一步通过调节FP谐振腔的深度h_FP，可以调节SPP_L的强度，从而使从右侧透射出去的SPP_L与SPP_R的强度完全相等，实现完全相干相消。但是，向左传播的SPPs却不能实现消光，这是因为向左传播的SPPs主要是在FP谐振腔内不同来回的SPP_L从左侧透射后干涉叠加的结果。由于FP谐振腔内的巨大损耗，各干涉分量幅度不等导致了很低的干涉对比度。这种情况下，完全的相干相消不会出现。这说明，虽然这样的非对称纳米单缝可以被作为有效的SPPs单向激发器，但是这种结构只能实现单边的消光，不能在两个方向对两个不同的波长分别消光，它不能分开不同波长的SPPs，使不同波长的SPPs向相反方向传播。