一种单向等离激元布拉格波导反射器的制作方法

本实用新型涉及一种等离激元布拉格波导，具体涉及一种单向等离激元布拉格波导反射器。

背景技术：

等离激元提供了一种用于汇聚或引导光线超越衍射极限的有效方式。在各式各样的等离激元光波导中，金属-非金属-金属(metal-insulator-metal,mim)波导由于具有非常强的场限，可以用于高集成芯片上的等离子激元电路，因而备受关注。如今，基于mim波导的一系列等离激元设备被提出，如，探测器、反射器、电光开关、非线性设备、滤波器、共振器等。近些年来，在众多mim波导设备中，等离激元布拉格反射器受到的关注显著增加。这是由于等离激元布拉格反射器可以用来控制等离激元模块，而该等离激元模块就是形成等离激元设备和等离激元电路的基本单元。然而，现有技术中的纳米结构单元乃至等离激元布拉格反射器的整个结构都被限制成沿纵向对称的结构。因此，光从等离激元模块左侧入射的反射率，与从所述等离激元模块右侧入射的反射率总是相等的。但是，在一些特定需求场景中，如所述反射器两个方向上的电磁波传输需表现出非对称性质的场景中，相等的反射率限制了等离激元光学器件的应用领域。

在很多文章中，使用如瑞利展开等复杂的理论模型，或者如时域有限差分(fdtd)和有限元法(fem)等耗时的数学方法，对等离激元布拉格反射器进行分析、设计和优化。例如，lietal.(lig,cail,xiaof,peiyandxua2010opt.express1810487)提出了一种定量计算方法，该方法基于等离激元布拉格反射器的半解析耦合模式模型，此模型可以包括不同数量的纳米结构，并且使用该模型可以显著简化对于所述反射器的设计和优化过程。最近，用于电磁波的非对称传输设备也正在更多地被深入研究。例如，fedotovetal.(fedotovva,mladyonovpl,prosvirninsl,rogachevaav,chenyandzheludevni2006phys.rev.lett.97167401)报道了一种基于平面手性结构的沿波传输方向非对称的偏振敏感传输效应，shietal.(shij,liux,yus,lvt,zhuz,mahfandcuitj2013appl.phys.lett.102191905)证明了双层手性材料中线偏振电磁波在两个相对方向上的双频带非对称传输，xuetal.(xuy,guc,houb,laiy,lijandchenh2013nat.commun.42561)提出了基于梯度折射率材料的光非对称传播的光波导。

尽管如此，现有的非对称传输技术仍然没有能够达到足够高的电磁波非对称传输效果，而且由此形成的设备在功能上比较单一，限制了器件在更多场景下的应用，设备结构的相对复杂也使得加工实现的成本较高。

技术实现要素：

针对以上存在的技术问题，本申请提出了一种单向等离激元布拉格波导反射器，通过设计具有由周期性纳米结构组成的沿纵向(即电磁波传输方向)非几何对称的mim波导，使得该反射器沿电磁波传播方向上具有非对称的反射性质。

具体地，本申请涉及一种单向等离激元布拉格波导反射器，包括，第一金属层，非金属层以及第二金属层；所述非金属层包括芯层，以及在所述芯层上形成的沿所述芯层内电磁波传输方向非对称的、与所述芯层一体形成的至少一个微结构；所述反射器还包括第一端口和第二端口，所述第一端口和第二端口用于允许所述电磁波输入所述反射器，或者用于允许所述电磁波从所述反射器输出；所述第一端口允许所述电磁波沿所述第一方向入射到所述反射器内，所述第二端口允许所述电磁波沿所述第二方向入射到所述反射器内；当所述电磁波沿所述反射器的第一方向入射时，所述反射器呈现出高吸收率；当所述电磁波沿所述反射器的第二方向入射时，所述反射器呈现出高反射率。

优选为，所述第一方向与所述第二方向为两平行且相反的方向。

优选为，当所述电磁波沿所述反射器的第一方向入射时，所述反射器表现出的反射率为r⁺；当所述电磁波沿所述反射器的第二方向入射时，所述反射器表现出的反射率为r^-；设反射消光比为10×lg(r^-/r⁺)，所述反射器的反射消光比大于8db，优选为大于10db，进一步优选为11db。

优选为，所述微结构至少为两个，且所述两个微结构相对于所述芯层对称设置；且相对所述芯层对称设置的所述两个微结构共同形成一个微结构单元，所述反射器包括至少一个所述微结构单元。

优选为，所述微结构单元沿所述电磁波传输方向等间隔设置，并形成周期性结构。

优选为，所述反射器的第一端口和第二端口的输入输出厚度相等；所述输入输出厚度保证在由第一金属层、非金属层以及第二金属层所形成的波导内，所述电磁波只传输单一的基模。

优选为，所述微结构的截面为三角形、梯形或平行四边形。

优选为，所述微结构的截面为直角三角形；所述直角三角形的其中一个直角边与所述芯层的表面重合，另一直角边设置在所述电磁波传输的方向一侧，从所述芯层的表面垂直向所述芯层外侧延伸。

优选为，所述一个直角边的长度，即所述三角形的宽度w在180nm-220nm的范围内，所述另一直角边即所述三角形的高度h在130nm-180nm的范围内；进一步优选为，所述宽度w＝210nm，所述高度h＝150nm。

优选为，所述电磁波的波长λ在765nm-820nm以及505-605nm的范围内。

优选为，所述微结构单元的排布周期p在200nm-800nm的范围内。

优选为，所述微结构单元的数量n≥4。

优选为，所述输入输出厚度d0＝100nm，所述宽度w＝210nm，所述高度h＝150nm，所述周期p＝208nm，所述电磁波波长λ＝800nm；所述微结构单元的个数n＝4。

通过以上设计，本申请提出的基于纵向非对称微结构的单向等离激元布拉格波导反射器能够实现对电磁波的单向反射，即电磁波从一侧入射到波导中显现出高反射的效果，从另一侧入射到波导中则显现出高吸收的效果，电磁波从所述反射器两侧入射产生的反射消光比可以达到将近11db，即该反射器能够同时实现单一方向反射器和单一方向吸收器的功能。由此，大大提高了基于此器件的模块控制灵活度，拓展了等离激元设备的应用范围。

附图说明

附图1：单向等离激元布拉格反射器截面结构示意图。

附图2：单个纳米结构左侧入射示意图。

附图3：单个纳米结构右侧入射示意图。

附图4(a)：在n＝4，p＝280nm，λ＝800nm的条件下，改变w和h，形成的r⁺相对于w和h的函数关系。

附图4(b)：在n＝4，p＝280nm，λ＝800nm的条件下，改变w和h，形成的r^-相对于w和h的函数关系。

附图4(c)：在n＝4，p＝280nm，λ＝800nm的条件下，改变w和h，形成的|r⁺-r^-|相对于w和h的函数关系。

附图5：在d0＝100nm，w＝210nm，h＝150nm，n＝4，p＝280nm的情况下，获得所述反射器随电磁波波长λ的变化示意图。

附图6：在d0＝100nm，w＝210nm，h＝150nm，n＝4，λ＝800nm的情况下，获得所述反射器随微结构单元周期p的变化示意图。

附图7：在d0＝100nm，w＝210nm，h＝150nm，p＝208nm，λ＝800nm的情况下，获得所述反射器随微结构单元个数n的变化示意图。

具体实施方式

本说明书所提到的上、下、左、右等表示方向特征的词汇，只在于针对附图中的内容将技术方案阐述清楚，并不对本说明书中所记载的技术方案的方向产生实质性限定作用。即，可将上、下、左、右理解为，第一侧、第二侧、第三侧、第四侧，或者第一方向、第二方向、第三方向、第四方向，或者与此类似的解释。本说明书及说明书附图中所提到的坐标系方向，x轴方向为平行纸面向上的方向，z轴方向为平行纸面向右的方向，y轴方向为垂直纸面指向读者方向。

如图1所示，本实施例的一种单向等离激元布拉格波导反射器具有金属-非金属-金属(metal-insulator-metal,mim)的波导结构，上层为第一金属层1，中间层为非金属层2，下层为第二金属层3。附图1为所述反射器的x-z平面的截面示意图，所述反射器的整体结构为扁平片状结构，具体为以附图1中的截面结构按照相同性状沿y方向延伸的结构。通常情况下，该反射器沿附图1中y方向的尺寸远大于该反射器在其他两个方向上的尺寸，因此在设计所述反射器时，无需考虑该反射器在y方向上的尺寸大小。

如图1所示，所述非金属层2优选由能够允许电磁波传播的介质材料制成，所述非金属层2具有的芯层4。

电磁波可以从所述非金属层2的端面输入输出，且能够沿z方向在所述非金属层2内传播。所述端面具体为位于所述反射器左侧面上的第一端口6，即所述非金属层2位于所述反射器的z轴负方向侧面上的端面，以及位于所述反射器右侧面上的第二端口7，即所述非金属层2位于所述反射器的z轴正方向上的端面。所述第一端口6和第二端口7用于允许所述电磁波输入所述非金属层2，或者从所述非金属层2中输出。在所述第一端口6和第二端口7处，所述非金属层2的厚度为d0，即所述反射器的输入输出厚度均为d0，所述输入输出厚度d0优选为保证在所述波导内，在给定的波长上只传输单一的基模。

所述非金属层2还具有，在所述芯层4上一体形成的分别向x轴的正负方向上突出的微结构5。所述微结构5优选为延电磁波传输方向，即z方向，为非对称的截面形状。所述微结构5的截面在延z方向上为非对称的三角形、梯形、平行四边形等。

优选地，所述微结构5的截面形状为直角三角形，其中一个直角边与芯层4的表面重合，另一直角边设置在所述第二端口一侧，从所述芯层4的表面垂直向所述芯层4外侧延伸，如图所示，所述微结构5沿x方向的高为h。进一步，所述微结构5优选相对于所述芯层4对称设置，相对于所述芯层4对称设置的两个微结构5形成一个微结构单元，如此所述微结构单元为按照其截面形状沿y方向延伸而形成的棱镜结构。如说明书附图1所示，在所述芯层4上沿z方向等间隔设置有多个结构完全相同的所述微结构单元，从而形成周期性结构。相关参数描述为：所述微结构单元沿z方向的长度为w，所述微结构单元沿z方向的重复周期为p，沿z方向每个所述微结构单元的间隔即为(p-w)，所述反射器具有的微结构单元个数为n。

电磁波沿z轴正方向射入所述反射器时，如图2所示，若所述反射器只具有一个所述微结构单元，则可以将所述微结构单元看做一个整体，即看做一个“黑盒子”，电磁波沿z轴正方向，沿所述反射器的第一端口6射入所述“黑盒子”，并从所述反射器的第二端口7出射，所述反射器形成的反射系数为透射系数为若所述反射器具有两个所述微结构单元，则电磁波沿z轴正方向，沿所述反射器的第一端口6射入，并从所述反射器的第二端口7出射，在传输过程中经过两个“黑盒子”的连续作用，所述反射器形成的反射系数为透射系数为以此类推，若所述反射器具有n-1个所述微结构单元，则电磁波沿z轴负方向，沿所述反射器的第一端口6射入，并从所述反射器的第二端口7出射，在传输过程中经过n-1个“黑盒子”的连续作用，所述反射器形成的反射系数为透射系数为若所述反射器具有n个所述微结构单元，则电磁波沿z轴正方向，沿所述反射器的第一端口6射入，并从所述反射器的第二端口7出射，在传输过程中经过n个“黑盒子”的连续作用，所述反射器形成的反射系数为透射系数为

电磁波沿z轴负方向射入所述反射器时，如图3所示，若所述反射器只具有一个所述微结构单元，则可以将所述微结构单元看做一个整体，即看做一个“黑盒子”，电磁波沿z轴负方向，沿所述反射器的第二端口7射入所述“黑盒子”，并从所述反射器的第一端口6出射，所述反射器形成的反射系数为透射系数为若所述反射器具有两个所述微结构单元，则电磁波沿z轴负方向，沿所述反射器的第二端口7射入，并从所述反射器的第一端口6出射，在传输过程中经过两个“黑盒子”的连续作用，所述反射器形成的反射系数为透射系数为以此类推，若所述反射器具有n-1个所述微结构单元，则电磁波沿z轴负方向，沿所述反射器的第二端口7射入，并从所述反射器的第一端口6出射，在传输过程中经过n-1个“黑盒子”的连续作用，所述反射器形成的反射系数为透射系数为若所述反射器具有n个所述微结构单元，则电磁波沿z轴负方向，沿所述反射器的第二端口7射入，并从所述反射器的第一端口6出射，在传输过程中经过n个“黑盒子”的连续作用，所述反射器形成的反射系数为透射系数为

以上各主要参数符合以下递推公式：

其中，

u＝exp[ik0neff(p-w)]；

k0＝2π/λ，λ为电磁波波长；

neff为将所述反射器看做一个整体时，所述反射器的有效折射率。

因此，只要通过惯用的仿真方法计算确定了τ1、和即可以通过模拟确定所述反射器的性质。

值得注意的是，按照光路可逆原理，在m＝1,2,…,n的范围内均成立。因此，由以上模型可以计算等离激元布拉格反射器的反射率和透射率

实施例

选择如图1所示的单向等离子激元布拉格反射器，所述反射器内部在所述非金属层2上形成的微结构5为直角三角形，其中一个直角边与芯层4的表面重合，另一直角边设置在所述第二端口一侧，从所述芯层4的表面垂直向所述芯层4外侧延伸。

在本实施例中，以sio2作为形成非金属层2的材料，输入输出厚度为d0为100nm。即，所述非金属层2的折射率nsio2＝1.45，输入输出厚度d0＝100nm。

当n＝4时，已经可以获得从两个方向入射的饱和的反射率差。在选择所述微结构单元的个数n＝4以及周期p＝280nm的情况下，通过改变参数w和h，得到附图4所示的电磁波工作波长在λ＝800nm下的作为w和h的函数的r⁺、r^-和|r⁺-r^-|；其中，r⁺为电磁波从第一端口6沿z轴正方向入射到所述反射器中所形成的反射率，r^-为电磁波从第2端口沿z轴负方向入射到所述反射器中所形成的反射率，|r⁺-r^-|为以上r⁺和r^-两个反射率差值的绝对值。通过附图4(a)-(c)可以发现，r⁺和r^-之间的最大反射率差出现在w＝210nm以及h＝150nm的位置，对应的最大反射率差为|r⁺-r^-|＝0.814。即，通过附图4(c)能够确定以下内容：在电磁波工作波长为λ＝800nm时，选择sio2作为非金属层的材料，选择所述反射器的结构参数为，d0＝100nm，w＝210nm，h＝150nm，p＝280nm的情况下，获得的反射率差为|r⁺-r^-|＝0.814。同时，有附图4可以看出，所述宽度w＝180-220nm和所述高度h＝130-180nm的范围内，所述反射器均表现出很高的|r⁺-r^-|值，即表现出较高的非对称传输性质。

在保持所述反射器的各结构参数的情况下，即d0＝100nm，w＝210nm，h＝150nm，n＝4，p＝280nm的情况下，改变电磁波工作波长，可以获得如附图5所示的所述反射器随工作波长的变化示意图，图中横坐标为电磁波长，纵坐标为两方向反射率和透射率。设反射消光比为10×lg(r^-/r⁺)，由附图5可以看出，在λ＝800nm时，反射消光比高达10.97db，并且在800nm附近超过50nm左右的带宽下，反射消光比均可以达到10db。并且，波长在765nm-820nm以及505nm-605nm的范围内，所述反射消光比均达到8db以上，形成明显的非对称传输效果，能够提高器件控制灵敏度。

在保持所述反射器的各结构参数的情况下，即d0＝100nm，w＝210nm，h＝150nm，n＝4，λ＝800nm下的情况下，改变微结构单元的周期，可以获得如附图6所示的所述反射器随微结构单元周期的变化示意图，图中横坐标为微结构单元的周期，纵坐标为两方向反射率和透射率。。由附图6可知，反射率与微结构单元的周期之间呈现出周期性的变化关系，在p＝280nm，p＝500nm，p＝720nm时，反射率均达到了最大值，并且随着周期p的数值的增加，这个最大值相应的减小。同时，周期p在200nm-800nm的范围内所述反射消光比均达到10db以上，形成明显的非对称传输效果，能够提高器件控制灵敏度。

在保持所述反射器的各结构参数的情况下，即d0＝100nm，w＝210nm，h＝150nm，p＝208nm，λ＝800nm下的情况下，改变微结构单元的数量n，可以获得如附图7所示的所述反射器随微结构单元数量的变化示意图，图中横坐标为微结构单元的周期，纵坐标为两方向反射率和透射率。。由附图7可知，在所述微结构单元的数量超过4个以后，r^-即已达到饱和值。因此，所述反射消光比也随微结构单元的数量快速增加，并在n＝4以后达到饱和，也就是说，选择n≥4即可以达到足够大的反射消光比，以形成明显的非对称传输效果，能够提高器件控制灵敏度。

由附图5-7中的纵坐标透射率数值可知，透射率的数值非常小。而由所述反射器引起的明显的反射消光比表明，针对本实用新型所涉及的等离激元布拉格波导反射器，当电磁波从右侧端口射入时，大多数能量将被反射回来；而当电磁波从左侧端口入射时，大多数的能量将被吸收。

综上所述，本申请涉及一种单向等离激元布拉格波导反射器，具有纵向非对称的结构，电磁波从左侧端口入射和右侧端口入射时，表现出非常大的反射和吸收的差别。这种沿电磁波传播方向上具有的非对称反射性质，主要是通过设计具有由周期性纳米结构组成的沿纵向(即电磁波传输方向)非几何对称的mim波导来实现的，由此，这种基于纵向非对称微结构的单向等离激元布拉格波导反射器由于能够实现对电磁波的单向反射，即电磁波从一侧入射到波导中显现出高反射的效果，从另一侧入射到波导中则显现出高吸收的效果，从而能够使得等离激元设备具有更加丰富的控制方式，提高了器件设计和使用的灵活性。

上面所述的只是用图解说明本实用新型的一些实施方式，由于对相同技术领域的普通技术人员来说很容易在此基础上进行若干修改和改动，因此本说明书并非是要将本实用新型局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改及等同物，均属于本实用新型所申请的专利范围。