[发明专利]基于极化共振和布拉格共振作用的超透射波导设计方法

说明书

本发明提出了一种基于极化共振和布拉格共振作用的超透射波导的设计方法，并且将所述超透射波导应用到表面等离激元波导系统中，其基本单元由纳米尺度的金属‑电介质‑金属波导以及周期性排列的侧向耦合共振腔组成。因此这种链式共振腔结构具有类似光子晶体的导波和带隙特性，在单端波导模式的激发下，通过波导模与侧向耦合共振模式发生耦合，从而调制透射特性。具体而言，波导结构的工作频率可通过侧向共振腔的本征频率调控；波导整体可实现滤波、透射以及超透射形成激光态。此外，本发明还利用共振腔的增益、损耗对波导透射特性进行调制。本发明基于耦合模理论和布拉格理论，结合极化共振和布拉格共振相互作用，给出了所述超透射波导的色散关系。

技术领域

本发明属于微纳光子学与电磁超材料领域，尤其涉及一种可用于调节透射特性的光学微纳金属-电介质-金属波导的设计方法。

背景技术

金属-电介质-金属结构是非常有应用前景的微纳光子学系统，可以有效的突破传统光学衍射极限的功能，并且可以将光场有效的束缚在纳米尺度，因此被广泛用于设计和执照纳米两级的光学亚波长器件，以实现光子集成线路，以成为近年来人们关注的课题和科学研究领域。此外纳米谐振腔、干涉槽等基本结构嵌入波导结构中，能够实现传输模式的调控和光信号处理。但是由于金属在可见光以及近红外频段内，有着较大的损耗，导致光波在金属-电介质-金属波导中只能传输很短的一段距离，很快就衰减掉了，极大的限制了金属-电介质-金属波导的实际应用和制备。

从量子力学中宇称-时间对称的概念(参考非专利文献1:C.M.Bender,S.Bottcher,.Real spectra in non-Hermitian Hamiltonians having PTsymmetry.Phys.Rev.Lett.1998,80,5243)出发，利用简并点(具有相同的本征值和本征态)处的相位突变，可以有效的利用损耗因子，实现无损传输。基于量子力学和光学系统的类比性(参考非专利文献2:C.E.Ruter,K.G.Makris,R.El-Ganainy,D.N.Christodoulides,M.Segev,D.Kip.Observation of parity-time symmetry in optics.Nat.Phys.2010,6,192)，将宇称-时间对称的概念应用与光学波导系统中，使得损耗因子的增大反而有益于能量在波导中的传输。在侧向共振腔耦合波导系统中，侧向共振腔提供极化共振态，多个侧向共振腔之间由于多级散射提供布拉格共振态，两者的相互作用对透射特性提供很好的调制。而贵金属材料中的吸收损耗，可以通过侧向耦合共振腔中的增益、损耗配置实现超透射。

本发明正是基于金属-电介质-金属波导利用宇称-时间对称概念，通过周期性结构中的布拉格共振和极化共振的相互作用实现对波导系统中表面等离激元的透射特性的调控，使其具有超透射传输。

发明内容

本发明提出了一种基于极化共振和布拉格共振作用的超透射波导设计方法，该波导由金属-电介质-金属波导以及侧向耦合共振腔链(嵌入金属包层中)构成，在单侧端口模式的激发下，这种结构会形成表面等离子体极化波的传输模式。通过耦合模理论的方法以及应用周期性的布拉格理论，本发明分析了侧向耦合系统的本征态的演化以及单端激发的透射特性。此外，本发明还提出了不同的布拉格共振态(相邻共振腔之间引起的传输相位)对透射特性的影响，对于周期性的金属-电介质-金属纳米侧向耦合共振结构，除此之外共振腔中的增益和损耗因子都对此波导的透射起着至关重要的作用。本发明对于纳米光学器件的设计提供了一种理论基础和参考标准。

本发明的有益效果是：

1.本发明提出的纳米超透射波导借助极化共振态和布拉格共振态的相互作用，本发明利用耦合模理论，更好地论证了无损传输和超透传输需要遵循的条件。

2.本发明设计的纳米超透射波导，在特定的布拉格共振和增益、损耗调制下，可以实现滤波和超透射功能。为克服材料吸收的波导传输提供了很好的理论基础和技术支持。

附图说明