[发明专利]一种基于双缝干涉的超小宽带偏振分束器

说明书

技术领域

本发明涉及纳米光子学领域，尤其涉及一种基于双缝干涉的超小宽带偏振分束器。

背景技术

偏振是光的一个重要属性，偏振分束器是光学系统中重要的组成元件，它可以将入射光分成两束彼此分开的、偏振方向互相垂直的线偏振光。随着微加工技术和集成光学的不断发展，器件的小型化和集成化变得越来越重要，尤其是在高集成度的光子回路和光学量子计算领域。表面等离激元是沿金属表面传播的横磁波(TM)，由于它可以突破衍射极限，因此为光子器件的小型化提供了一个新的途径。最近几年，人们提出了许多基于可以同时支持横磁(TM)和横电(TE)模式的表面等离激元复合结构的偏振分束器件来减小器件的尺寸。数值计算发现，通过在耦合波导结构中的一个波导上面设计一个金属带或者在两个耦合波导之间放置金属颗粒和金属薄膜可以有效地将TM和TE模式分开。另外，通过在介质波导结构中插入金的等离激元波导阵列结构或者MIM结构也可以实现偏振分束。但是这些复合等离激元结构都比较复杂，实验上很难实现。实验上利用CMOS工艺，在中间波导被Cu覆盖的耦合波导结构上实现了偏振分束，但是这种结构中耦合区域的长度达6.5μm。以上这些偏振分束器件的工作原理主要有两种，一种是倏逝波耦合效应，另一种则是多模干涉。最近，文献报道了利用共振腔效应，实验上在非对称金属狭缝结构中实现了偏振分束，器件的横向尺寸被压缩到了亚微米。但是由于共振腔效应的限制，这种偏振分束器只能在单波长工作。

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双缝干涉的超小宽带偏振分束器，利用双缝干涉效应在介质薄膜覆盖的金属双缝结构上实现了超小的宽带偏振分束器。

本发明的一个目的在于提供一种基于双缝干涉的超小宽带偏振分束器。

本发明的基于双缝干涉的超小宽带偏振分束器包括：金属薄膜、第一狭缝、第二狭缝以及介质薄膜；其中，金属薄膜的厚度为t_M，在金属薄膜上设置第一狭缝和第二狭缝，二者之间的距离为d，宽度分别为w₁和w₂，构成金属双缝结构；介质薄膜覆盖在金属薄膜、第一狭缝和第二狭缝上，介质薄膜的厚度为t_I；介质薄膜上面为空气，从而形成空气-介质-金属的复合波导；这种波导同时支持TM和TE两种波导模式，并且通过控制介质薄膜的厚度t_I保证有且只有一个TE模式和一个TM模式存在；一束光从背面入射，每一个狭缝都相当于一个源，同时激发TM和TE两种波导模式，两种波导模式都向两个方向传播，强度相同；每一个方向上总的波导模式强度就是两个狭缝单独激发的模式的相干叠加；TM模式向右和TE模式向左发生相消干涉的条件：

或者，TM模式向左和TE模式向右方向发生相消干涉的条件：

其中，n_eff^TM(t_I)和n_eff^TE(t_I)分别表示空气-介质-金属的复合波导支持的TM和TE模式的有效折射率；n′_eff^TM(t_I)和n′_eff^TE(t_I)分别是第一或第二狭缝处空气-介质-空气的介质波导支持的TM和TE模式的有效折射率；λ_TM^L是金属双缝结构向左定向激发TM模式时的真空波长，λ_TE^R是金属双缝结构向右定向激发TE模式时的真空波长；λ_TM^R是金属双缝结构向右定向激发TM模式时的真空波长，λ_TE^L是金属双缝结构向左定向激发TE模式时的真空波长；当λ_TM^L＝λ_TE^R，或者λ_TM^R＝λ_TE^L时，实现偏振分束。