[发明专利]一种基于超表面的片上光自旋控制型双波导耦合系统

权利要求书

1.一种基于超表面的片上光自旋控制型双波导耦合系统，以一个复合相位超表面作为桥梁，将入射光高效地转化为聚焦的SPP并耦合进入光波导，并通过切换入射光的自旋，实现耦合波导的切换；其特征在于，由一块复合相位超表面和两个SPP波导集合组成；其中：

所述复合相位超表面，是由M×N个人工原子组成的阵列，所述人工原子是一个反射型的MIM三层构型，其中，底层为金属层，中间为介质层，上层为金属微结构层；金属微结构层为：两端部是弧度相同且对称的圆弧，两段圆弧中间由直桥连接，圆弧的线宽和连接桥的线宽相同，为镜像对称结构，称该结构为圆工字型开口环；圆弧对应的中心角亦称开口角；人工原子的结构参数如下：底层金属层和中间介质层为方形，其边长为P，底层金属层厚度为d1，中间介质层厚度为d2，上层金属层厚度为d3，开口角为α，圆弧线宽和连接桥线宽为W，连接桥长度为d，并且，圆工字型开口环可以在x-y平面内绕着自身旋转，定义连接桥与y轴正方向的夹角为旋转角θ；其中，不同开口角α的人工原子，均具有近似完美半波片的性质，因此可以通过改变旋转角θ，来高效地调控几何相位，并且通过改变开口角α调节人工原子的共振相位；由人工原子进行两维周期延拓，周期为P，形成M×N个人工原子的阵列；并通过调节人工原子的开口角α(x,y)，与旋转角θ(x,y)两个自由度构造两套相互独立的超表面相位分布φ⁺(x,y)，φ^-(x,y)，使得超表面在左旋光与右旋光两种自旋的圆偏振光入射下，可以激发SPP，并把它们聚焦到左右两个不同位置的焦点上；

所述两个SPP波导，是由两根相同的二氧化硅介质条设置于复合相位超表面两侧的等离激元衬底上而组成，所述等离激元衬底是由复合相位超表面的底层金属层和中间介质层向两侧延拓而得到，构成SPP本征区域；两根二氧化硅介质条均与方向平行，端口分别与超表面的两个SPP焦点对准。

2.根据权利要求1所述的片上光自旋控制型双波导耦合系统，其特征在于，所述下层金属采用银，中间介质层采用二氧化硅，上层金属采用金。

3.根据权利要求1所述的片上光自旋控制型双波导耦合系统，其特征在于，系统的结构参数P，d1，d2，d3，α，W，d，以及超表面区域的宽度，对整个耦合系统的功能有影响，需要根据功能要求，进行优化。

4.根据权利要求3所述的片上光自旋控制型双波导耦合系统，其特征在于，超平面的结构参数为：P＝360nm，d₁＝80nm，d₂＝130nm，d₃＝30nm，α＝80°～180°，d＝210nm；N＝11。

5.根据权利要求3所述的片上光自旋控制型双波导耦合系统中的SPP波导，特征在于，SPP波导中，SiO₂介质长条截面为矩形，高×宽＝100nm×300nm。