一种基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器及分束方法与流程

本发明属于纳米光子学技术领域，尤其涉及一种基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器及分束方法。

背景技术：

表面等离激元是金属和介质界面上自由电子集体振荡的电磁场模式，可以沿着金属和介质界面传播。表面等离激元超小的亚波长模式面积和局域共振特性使其在众多领域具有广泛的实际应用，如，纳米尺度上的光操控、单分子水平的生物探测、亚波长孔径的光透射增强和突破衍射极限的高分辨率光学成像等。

随着众多的纳米器件设计方案被提出，人们迫切希望能够利用表面等离激元的性质，在纳米尺度上实现开发出新型器件。偏振分束器能够将te模式(电矢量与传播方向垂直)和tm模式(磁矢量与传播方向垂直)的光波分开传播，是纳米光子学领域光子芯片的关键器件，引起了研究者广泛的兴趣，一直是研究的热点。使te和tm两种不同偏振光分束传播到不同端口，对片上光通信、光互联、光计算等都具有重要意义。

然而，现有的基于硅基偏振的分束器的尺寸通常在几十微米大小，工作带宽较窄且难以从近红外扩展到可见光波段。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器及分束方法，具有超小尺寸、超低串扰、工作带宽大、利于集成等多个优点。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器，包括：壳体、和设置在所述壳体内的第一光波导和第二光波导；

所述第一光波导和第二光波导平行、非对称、间隔设置；其中，所述第一光波导和第二光波导之间的间隔形成纳米狭缝；

所述第一光波导包括：第一金属薄膜、第一低折射率薄膜和第一高折射率薄膜，以及贯穿所述第一金属薄膜、第一低折射率薄膜和第一高折射率薄膜的第一纳米槽；所述第一金属薄膜、第一低折射率薄膜和第一高折射率薄膜由下至上依次设置；其中，入射光射入侧为结构的下方；

所述第二光波导包括：第二金属薄膜、第二低折射率薄膜和第二高折射率薄膜，以及贯穿所述第二金属薄膜、第二低折射率薄膜和第二高折射率薄膜的第二纳米槽；所述第二金属薄膜、第二低折射率薄膜和第二高折射率薄膜由下至上依次设置；

所述第一光波导和第二光波导的外形尺寸参数相同；

所述第一金属薄膜与第二金属薄膜等厚；所述第一低折射率薄膜与第二低折射率薄膜等厚；所述第一高折射率薄膜与二高折射率薄膜等厚；所述第一纳米槽与所述第二纳米槽的结构尺寸参数不同；

所述壳体与所述第一光波导和第二光波导之间的空腔内填充空气。

在上述基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器中，

金属薄膜的厚度大于等于200nm；

低折射率薄膜的厚度处于40nm～500nm范围内；

高折射率薄膜的厚度处于40nm～500nm范围内。

在上述基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器中，

低折射率薄膜为：折射率大于等于1的透明绝缘介质；

高折射率薄膜为：折射率大于所述低折射率薄膜的折射率的透明绝缘介质。

在上述基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器中，

所述基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器的工作波长处于700nm～900nm范围内。

在上述基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器中，

所述纳米狭缝的宽度处于200nm～500nm范围内；

所述第一纳米槽的槽宽处于40nm～800nm范围内；

所述第二纳米槽的槽宽处于40nm～800nm范围内；

所述第一纳米槽与所述纳米狭缝之间的中心距离处于40nm～800nm范围内；

所述第二纳米槽与所述纳米狭缝之间的中心距离处于40nm～800nm范围内。

相应的，本发明还公开了一种基于表面等离激元杂化波导的分束方法，所述方法应用于基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器，包括：

选择电场方向垂直或平行于纳米狭缝的线偏振紧聚焦高斯光作为入射光；

将所述入射光从所述偏振分束器底面的纳米狭缝处射入；

通过所述偏振分束器将所述入射光分解为te模式和tm模式；其中，所述te模式和tm模式为两个彼此独立的本征模式；

耦合进入偏振分束器的第一光波导的tm模式的光与经由第二光波导的f-p腔反射的同一偏振光干涉相消，形成完美消光；同时，耦合进入偏振分束器的第二光波导的tm模式的光与经由第一光波导的f-p腔反射的同一偏振光干涉相长，达到表面等离激元的单向激发的相位和振幅条件；或，耦合进入偏振分束器的第二光波导的te模式的光与经由第一光波导的f-p腔反射的同一偏振光干涉相消，形成完美消光；同时，耦合进入偏振分束器的第一光波导的te模式的光与经由第二光波导的f-p腔反射的同一偏振光干涉相长，达到表面等离激元的单向激发的相位和振幅条件；其中，所述第一光波导的f-p腔由第一纳米槽与纳米狭缝之间的波导形成；所述第二光波导的f-p腔由第二纳米槽与纳米狭缝之间的波导形成。

在上述基于表面等离激元杂化波导的分束方法中，

te模式的光局域在偏振分束器的高折射率薄膜中；tm模式的光局域在偏振分束器的金属薄膜与低折射率薄膜的界面处。

在上述基于表面等离激元杂化波导的分束方法中，所述基于表面等离激元杂化波导的分束方法，还包括：

设置第一纳米槽和第二纳米槽的宽度和深度，以用于调节偏振分束器的反射率和透射率；

分别设置第一纳米槽和第二纳米槽距纳米狭缝的距离，以用于调节干涉光之间的相位差；

设置纳米狭缝的宽度，以用于调节第一光波导和第二光波导的耦合效率。

本发明具有以下优点：

本发明所述的基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器及分束方法，基于表面等离激元杂化波导实现，具有更小的器件尺寸；并且基于表面等离激元杂化波导的非对称纳米槽结构容易制备、灵活度高，保证了该器件具有超小尺寸(尺寸仅为若干微米，厚度仅为几百纳米)，易于在芯片上集成；信噪比高、超低串扰、工作带宽大、器件性能稳定、实用性强；为超快速超宽带信号处理提供了新方法。此外，结构简单，可利用现有聚焦离子束刻蚀系统直接制备，可灵活调整参数，满足不同工作波长的需求。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种基于表面等离激元杂化波导的分束方法的步骤流程图；

图3是本发明实施例中一种表面等离激元杂化波导的模式分布图；

图4是本发明实施例中一种tm模式和te模式的传播效率图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

参照图1，示出了本发明实施例中一种基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器的结构示意图。在本实施例中，所述基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器，包括：壳体100、和设置在所述壳体100内的第一光波导200和第二光波导300。

如图1，所述第一光波导200和第二光波导300平行、非对称、间隔设置。其中，所述第一光波导200和第二光波导300之间的间隔形成纳米狭缝400。

在本实施例中，所述第一光波导200具体可以包括：第一金属薄膜201、第一低折射率薄膜202和第一高折射率薄膜203，以及贯穿所述第一金属薄膜201、第一低折射率薄膜202和第一高折射率薄膜203的第一纳米槽204；其中，所述第一金属薄膜201、第一低折射率薄膜202和第一高折射率薄膜203由下至上依次设置。类似的，所述第二光波导300具体可以包括：第二金属薄膜301、第二低折射率薄膜302和第二高折射率薄膜303，以及贯穿所述第二金属薄膜301、第二低折射率薄膜302和第二高折射率薄膜303的第二纳米槽304；其中，所述第二金属薄膜301、第二低折射率薄膜302和第二高折射率薄膜303由下至上依次设置。

结合图1可知，在本实施例中，所述第一光波导200和第二光波导300的外形尺寸参数(长、宽、高)相同。所述第一金属薄膜201与第二金属薄膜301等厚；所述第一低折射率薄膜202与第二低折射率薄膜302等厚；所述第一高折射率薄膜203与二高折射率薄膜303等厚。所述第一纳米槽204与所述第二纳米槽304的结构尺寸参数不同。

其中，需要说明的是，所述第一纳米槽204与所述第二纳米槽304的结构尺寸参数不同包括：所述第一纳米槽204与所述第二纳米槽304的结构尺寸参数完全不同，和所述第一纳米槽204与所述第二纳米槽304的结构尺寸参数不完全相同。在本实施例中，结构尺寸参数完全不同或不完全相同的第一纳米槽和第二纳米槽与纳米狭缝的结构设计，实现了偏振分束器对te和tm两种模式在两侧的干涉效应的调节，形成只对一种偏振光敏感的工作通道，进而实现对光信号不同偏振态的分离。具体的，第一纳米槽204与纳米狭缝400之间的波导构成了第一光波导的f-p腔(法布里-珀罗腔)，第二纳米槽304与纳米狭缝400之间的波导构成了第二光波导的f-p腔，使tm模式和te模式的光受到不同程度的透射和反射，通过设置纳米槽(第一纳米槽和第二纳米槽)的宽度和深度，可以实现对透射率和反射率的调节。在本实施例中，耦合进波导的光将在由纳米槽隔出的f-p腔中发生多光束干涉，对于不同偏振的光，有各自不同的特定波长的光由于干涉相长可以通过f-p腔，而余下的大部分波长的光由于干涉相消几乎全部被反射至另一端，由此我们可通过对纳米槽的参数调节实现分偏振的功能。

进一步的，在本实施例中，以电场方向垂直或平行于纳米狭缝的线偏振紧聚焦高斯光作为入射光，从薄膜底面的纳米狭缝处入射；其中，入射光射入侧为结构的下方，

此外，图1中所示的结构的留白处代表的是刻蚀掉的部分，由空气填充，也即，所述壳体与所述第一光波导和第二光波导之间的空腔内填充空气。

优选的，在本实施例中，金属薄膜(第一金属薄膜和第二金属薄膜)的厚度大于等于200nm，材料可以选择金、银、铜、铝等贵金属。低折射率薄膜(第一低折射率薄膜和第二低折射率薄膜)和高折射率薄膜(第一高折射率薄膜和第二高折射率薄膜)的厚度均在亚波长量级，即，低折射率薄膜的厚度处于40nm～500nm(包括40nm和500nm)范围内，高折射率薄膜的厚度处于40nm～500nm(包括40nm和500nm)范围内，以满足表面等离激元杂化波导同时支持te和tm两个模式。需要说明的是，本发明实施例中所涉及的范围值均包含上限值和下限值，不再一一赘述。

优选的，在本实施例中，低折射率薄膜为：折射率大于等于1的透明绝缘介质；高折射率薄膜为：折射率大于所述低折射率薄膜的折射率的透明绝缘介质。

优选的，在本实施例中，所述基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器的工作波长处于700nm～900nm范围内。

优选的，在本实施例中，所述纳米狭缝的宽度处于200nm～500nm范围内。两个纳米槽距纳米狭缝的距离以及两个纳米槽自身的宽度均在亚波长量级，且满足纳米缝两侧的纳米槽结构参数不相同，形成左右非对称纳米槽。即，所述第一纳米槽的槽宽处于40nm～800nm范围内，所述第二纳米槽的槽宽处于40nm～800nm范围内，所述第一纳米槽与所述纳米狭缝之间的中心距离处于40nm～800nm范围内，所述第二纳米槽与所述纳米狭缝之间的中心距离处于40nm～800nm范围内。

优选的，在本实施例中，te模式的光主要耦合到第一光波导的te通道，tm模式的光主要耦合到第二光波导的tm通道，从而达到了分偏振的效果。

基于上述基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器的描述，本实施例还公开了一种基于表面等离激元杂化波导的分束方法，该分束方法基于上述实施例中的偏振分束器实现。

参照图2，示出了本发明实施例中一种基于表面等离激元杂化波导的分束方法的步骤流程图。在本实施例中，所述基于表面等离激元杂化波导的分束方法，包括：

步骤201，选择电场方向垂直或平行于纳米狭缝的线偏振紧聚焦高斯光作为入射光。

步骤202，将所述入射光从所述偏振分束器底面的纳米狭缝处射入。

步骤203，通过所述偏振分束器将所述入射光分解为te模式和tm模式；其中，所述te模式和tm模式为两个彼此独立的本征模式。

在本实施例中，由于该偏振分束器为基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器，基于表面等离激元杂化波导的特性，入射光可被分解为te和tm两个彼此独立的本征模式。

步骤204，耦合进入偏振分束器的第一光波导的tm模式的光与经由第二光波导的f-p腔反射的同一偏振光干涉相消，形成完美消光；同时，耦合进入偏振分束器的第二光波导的te模式的光与经由第一光波导的f-p腔反射的同一偏振光干涉相长，达到表面等离激元的单向激发的相位和振幅条件；或，耦合进入偏振分束器的第二光波导的te模式的光与经由第一光波导的f-p腔反射的同一偏振光干涉相消，形成完美消光；同时，耦合进入偏振分束器的第一光波导的tm模式的光与经由第二光波导的f-p腔反射的同一偏振光干涉相长，达到表面等离激元的单向激发的相位和振幅条件。

在本实施例中，如前所述，所述第一光波导的f-p腔由第一纳米槽与纳米狭缝之间的波导形成；所述第二光波导的f-p腔由第二纳米槽与纳米狭缝之间的波导形成。由于te模式的光(主要)局域在偏振分束器的高折射率薄膜中，而tm模式的光局域在偏振分束器的金属薄膜与低折射率薄膜的界面处，两种模式的光受到了不同程度的透射与反射。

优选的，由于表面等离激元杂化波导支持的tm和te模式的有效折射率不同，通过调整两个纳米槽的宽度、深度及其到纳米狭缝的距离，可以使得直接耦合进第一光波导的tm模式的光与经由对侧(第二光波导)的f-p腔反射的同一偏振光满足振幅大致相等、相位相反，实现干涉相消，形成完美消光；与此同时，耦合进入第二光波导的tm模式与经由对侧(第一光波导)的f-p腔反射的同一偏振光满足振幅大致相等、相位相同，实现干涉相长，达到表面等离激元的单向激发的相位和振幅条件，从而实现在特定工作波长下两侧波导只接受特定偏振的光信号。类似的，可以使得直接耦合进第二光波导的te模式的光与经由对侧(第一光波导)的f-p腔反射的同一偏振光满足振幅大致相等、相位相反，实现干涉相消，形成完美消光；与此同时，耦合进入第一光波导的te模式的光与经由对侧(第二光波导)的f-p腔反射的同一偏振光满足振幅大致相等、相位相同，实现干涉相长，达到表面等离激元的单向激发的相位和振幅条件，从而实现在特定工作波长下两侧波导只接受特定偏振的光信号。

优选的，在本实施例中，所述基于表面等离激元杂化波导的分束方法还可以包括：设置第一纳米槽和第二纳米槽的宽度和深度，以用于调节偏振分束器的反射率和透射率；分别设置第一纳米槽和第二纳米槽距纳米狭缝的距离，以用于调节干涉光之间的相位差；设置纳米狭缝的宽度，以用于调节第一光波导和第二光波导的耦合效率。

对于方法实施例而言，由于其与装置实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例部分的说明即可。

基于上述实施例。下面通过一个具体实例，对本发明所述的方案进行说明。

当入射光波长为780nm时，表面等离激元杂化波导的模式分布如图3，图3示出了本发明实施例中一种表面等离激元杂化波导的模式分布图。其中，金属薄膜的厚度为300nm，低折射率薄膜采用厚度为65nm的二氧化硅膜，高折射率薄膜采用厚度为130nm的铌酸锂膜。其中，图3a具体示出了te模式的电场大小分布图和有效折射率，te模式主要局域在高折射率薄膜中；图3b具体示出了tm模式的电场大小分布图和有效折射率，tm模式主要局域在金属薄膜和低折射率薄膜界面处。换而言之，由图3可知，本发明所设计的三层薄膜结构在780nm(其他波长段可作类似的推广)处支持两种模式(tm模式和te模式)，两种模式相互独立，在设计结构时可对两种模式分开讨论。

进一步优选的，参照图4，示出了本发明实施例中一种tm模式和te模式的传播效率图。其中，图4(a)具体示出了不同入射波长下te模式下纳米狭缝左右两边波导的传播效率；图4(b)具体示出了不同入射波长下tm模式下纳米狭缝左右两边波导的传播效率。在本实施例中，纳米狭缝的宽度可以为350nm；第一纳米槽的结构尺寸参数可以如下：槽宽、槽深以及距纳米狭缝的距离分别为300nm、300nm和250nm；第二纳米槽的结构尺寸参数可以如下：槽宽、槽深以及距纳米狭缝的距离分别为300nm、300nm和330nm。

下面对如何调整本发明所述的基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器的具体结构参数，以满足偏振分束器不同的工作波长的需要进行说明。

首先，通过调节薄膜(金属薄膜、低折射率薄膜和高折射率薄膜)的厚度，实现不同偏振在选定工作波长的有效折射率。

然后，在确定有效折射率之后，通过调整纳米槽的大小和位置得到一个偏振分束器，该偏振分束器的工作波长与纳米槽的大小和位置相关。

具体的，假设te模式的有效折射率为1.70，tm模的有效折射率为1.78，具体可以通过如下结构设计，得到工作波长为780nm的偏振分束器：

以第一纳米槽为例，根据多光束干涉原理，通过第一纳米槽的透射光强i^(t)为：

其中，i⁽ⁱ⁾表示入射光的光强；δ表示相邻两束光之间的相位差，ne表示te模式的有效折射率，d表示第一纳米槽到纳米狭缝的距离，λ表示工作波长；f为中间参数，r和r'分别表示f-p腔在左右两端的发射率，a表示修正因子。

可见，在本实施例中，当将第一纳米槽的长和宽设置为300nm时，令a＝2，可以计算得到f＝0.23，进而，可以确定在d＝230nm时，第一纳米槽具有极大的透射率，因此，此时将第一纳米槽设置在距纳米狭缝230nm的地方，可使第一纳米槽允许te模式通过。

进一步的，被第一纳米槽反射到对此的光ar与耦合进对侧的光束a⁽ⁱ⁾发生干涉作用，进而朝对侧传播的总光强将与反射光ar和a⁽ⁱ⁾成正比，比例与ar和a⁽ⁱ⁾的相位差相关，w_slit表示纳米狭缝的宽度。

在本实施例中，可用如下经验公式估计反射光的光强ir：ir＝2|a⁽ⁱ⁾||ar|cosα。其中，ar可由如下公式计算：仍以上述第一纳米槽为例，在d＝230nm时，得到极小值，因此，将第一纳米槽设置在距纳米狭缝230nm的地方，可使第一纳米槽阻止te模式从对侧通过。

遵循同样的原理，可以根据工作波长得到第二纳米槽的大小与位置。

此外，也可以在确定结构的情况下通过计算或模拟得到偏振分束器的工作波长。

综上所述，本发明所述的基于表面等离激元杂化波导的偏振分束器及分束方法，基于表面等离激元杂化波导实现，具有更小的器件尺寸；并且基于表面等离激元杂化波导的非对称纳米槽结构容易制备、灵活度高，保证了该器件具有超小尺寸(尺寸仅为若干微米，厚度仅为几百纳米)，易于在芯片上集成；信噪比高、超低串扰、工作带宽大、器件性能稳定、实用性强；为超快速超宽带信号处理提供了新方法。此外，结构简单，可利用现有聚焦离子束刻蚀系统直接制备，可灵活调整参数，满足不同工作波长的需求。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。