一种不依赖偏振的表面等离激元定向耦合器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及纳米光子学领域，尤其涉及一种不依赖偏振的表面等离激元定向耦合器及其控制方法。
【背景技术】
[0002]表面等离激元SPPs是束缚在金属-介质界面上的横磁TM电磁波模式。由于其优异的亚波长场束缚和强的场增强效应，SPPs被认为是潜在的下一代信息载体。把自由空间光耦合到SPPs对研宄等离激元器件的性能至关重要。这催生出了很多SPP单向耦合器件方面的研宄。单向耦合器件可以将自由空间光高效地耦合成在金属平面或者脊形波导结构上，沿指定或者感兴趣的方向传播的SPPs。然而，由于SPPs本身的偏振依赖特性(TM偏振)，只有P偏振(磁矢量平行于SPPs的磁场方向)的入射光可以被耦合成SPPs。所以s偏振(磁矢量垂直于SPPs的磁场方向)携带的能量和信息就完全丢失了。最近，有报道用圆偏振的入射光可以在一定程度上克服SPPs耦合过程中对偏振的依赖。由于任何偏振的入射光都可以被分解成两个互相垂直的线偏振成分，这可以用来解释很多光学现象和效应(包括光学克尔效应，光学双折射，电光效应)。所以，用P偏振或者S偏振的入射光定向親合出SPPs可能更具有实际意义。但由于SPPs的P偏振依赖特性，用s偏振的入射光定向耦合出SPPs是一个严峻的挑战。
【发明内容】
[0003]针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种在亚波长的脊形波导上加工有缺陷的小孔结构，实现P偏振和S偏振入射光都能定向耦合出SPPs，从而解决SPP定向耦合偏振依赖的问题。
[0004]本发明的一个目的在于提供一种不依赖偏振的表面等离激元定向耦合器。
[0005]本发明的表面等离激元定向耦合器包括:金属薄膜、小孔、脊形波导和突起纳米颗粒；其中，在金属薄膜上设置有小孔；在金属薄膜上并位于小孔两端的位置对称地设置两个脊形波导，脊形波导宽度与小孔的宽度可以不一致，通过调节脊形波导的宽度w和高度h，使得脊形波导只支持单个SPP模式；在金属薄膜上且位于小孔的一侧设置突起纳米颗粒，突起纳米颗粒不完全覆盖小孔的边缘，形成有缺陷的小孔结构；入射光从背面照射有缺陷的小孔结构，电荷在有缺陷的小孔结构的尖角区域累积并形成热点(hot spots);对于P偏振的入射光，电荷在脊形波导的尖角区域累积并形成热点，热点的辐射场耦合成沿着脊形波导传播的SPP模式，从而P偏振的入射光耦合成沿脊形波导传播的SPP模式；对于s偏振的入射光，电荷在突起纳米颗粒的尖角区域累积并形成热点，热点的辐射场耦合成沿着脊形波导传播的SPP模式，从而s偏振的入射光也能耦合成沿脊形波导传播SPP模式，实现不依赖偏振的表面等离激元耦合器。
[0006]进一步，突起纳米颗粒的中心不在小孔侧面的中心位置上，从而形成了沿着脊形波导方向的不对称的有缺陷的小孔结构，小孔一端的脊形波导远离突起纳米颗粒，而小孔另一端的脊形波导靠近突起纳米颗粒。对于P偏振的入射光，在脊形波导的尖角区域累积电荷并形成热点(hot spots)。并且在远离突起纳米颗粒的脊形波导上形成的热点多于在靠近突起纳米颗粒的脊形波导上形成的热点个数，从而P偏振的入射光耦合的SPP模式主要沿着远离突起纳米颗粒的脊形波导传播；对于s偏振的入射光，在突起纳米颗粒的尖角区域累积电荷并形成热点，突起纳米颗粒的几何结构尺寸会影响热点的辐射场方向，从而s偏振的入射光可以定向地耦合成的沿着脊形波导传播的SPP模式。因此利用不对称的有缺陷的小孔结构，可以在亚波长波导中实现了不依赖偏振的表面等离激元定向耦合器。
[0007]突起纳米颗粒的几何结构尺寸会影响热点的场分布，因此突起纳米颗粒的几何结构尺寸影响SPP模式的强度。由于小孔结构的不对称性，相反方向的SPP模式的强度是不一样的，因此可以通过调节突起纳米颗粒的几何结构尺寸调节SPP模式的强度。通过调整突起纳米颗粒的几何结构尺寸，调节P偏振和S偏振耦合的SPP模式的强度的比重。
[0008]进一步，调整突起纳米颗粒的几何参数，使得P偏振和s偏振入射光耦合的SPP模式沿着相同方向在脊形波导上传播。从而对于入射的线偏振光可以通过旋转入射光的偏振角度，很容易地调节耦合出的SPP模式的强度。突起纳米颗粒的几何参数包括:截面几何尺寸以及距小孔中心轴的位置。
[0009]金属薄膜的厚度大于300nm ;脊形波导的宽度和高度均大于50nm ;小孔的长度在200nm?2μηι之间；突起纳米颗粒的尺寸大于50nm。
[0010]本发明的另一个目的在于提供一种不依赖偏振的表面等离激元定向耦合器的控制方法。
[0011]本发明的表面等离激元定向耦合器的控制方法，包括以下步骤:
[0012]I)在金属薄膜上设置有小孔，在金属薄膜上并位于小孔两端的位置对称地设置两个脊形波导，脊形波导的宽度与小孔的宽度一致不需要一致，通过调节脊形波导的宽度W和高度h，使得脊形波导只支持单个SPP模式，在金属薄膜上且位于小孔一侧的位置设置突起纳米颗粒，突起纳米颗粒不完全覆盖小孔的边缘；
[0013]2)入射光从背面照射有缺陷的小孔结构，电荷在有缺陷的小孔结构的尖角区域累积并形成热点(hot spot)；
[0014]3)对于P偏振的入射光，电荷在脊形波导的尖角区域累积并形成热点，热点的辐射场耦合成沿着脊形波导传播的SPP模式，从而P偏振的入射光耦合成沿着脊形波导传播的SPP模式；
[0015]4)对于s偏振的入射光，电荷在突起纳米颗粒的尖角区域累积并形成热点，热点的辐射场耦合成脊形波导传播的SPP模式，从而S偏振的入射光也能耦合成沿脊形波导传播的SPP模式，实现不依赖偏振的表面等离激元耦合。
[0016]本发明的表面等离激元定向耦合器的控制方法还包括，通过调整突起纳米颗粒的几何参数，调节P偏振和S偏振耦合的SPP模式的强度的比重。
[0017]进一步，调整突起纳米颗粒的几何参数，使得P偏振耦合的SPP模式沿着相同的方向在脊形波导上传播。从而对于入射的线偏振光，可以通过旋转入射光的偏振角度，调节耦合出的SPP模式的强度。
[0018]本发明的优点:
[0019]本发明提出在亚波长的脊形波导上加工不对称的有缺陷的小孔结构，实现用P偏振和S偏振入射光定向耦合出SPP模式；考虑到光子回路中的单模工作条件，亚波长的脊形波导已被优化至只支持单个模式；由于缺陷的影响，P偏振和s偏振的入射光都可以定向地耦合出沿脊形波导传播的SPP模式；通过调整缺陷的几何参数，P偏振和s偏振的入射光耦合出的SPP模式既可以沿相同也可以沿相反方向传播。在沿相同方向传播的情况下，可以充分利用s偏振的入射光调制总的耦合出的SPP模式的强度。在沿相反方向传播的情况下，偏振编码的入射光的信息就被保留下来了。所以，在这个超小的有缺陷的小孔结构中，P偏振和s偏振的入射光都可以被定向地耦合成沿脊形波导传播的SPP模式，所以SPP模式的耦合过程是可以不依赖偏振。
【附图说明】
[0020]图1为本发明的不依赖偏振的表面等离激元定向耦合器的结构示意图，其中，(a)为有缺陷的小孔结构的示意图，(b)为脊形波导的剖面图，(c)为脊形波导支持的SPP模式的场分布图，⑷为无缺陷的小孔结构的样品的扫面电子显微镜SEM图，以及(e)为有缺陷的小孔结构的样品的扫面电子显微镜图；
[0021]图2为入射光从背面照射时，无缺陷的小孔结构与本发明的有缺陷的小孔结构耦合的SPP模式对比图，其中，(a)和(b)分别为P偏振和s偏振的入射光从背面照射无缺陷的小孔结构的电场分布图，(c)和(d)分别为实验中P偏振和s偏振的入射光从背面照射有缺陷的小孔结构的电场分布图，(e)和(f)分别为理论计算P偏振和s偏振的入射光从背面照射有缺陷的小孔结构的电场分布图；
[0022]图3为本发明的不依赖偏振的表面等离激元定向耦合器的得到的P偏振和s偏振的耦合的SPP模式的干涉图，其中，(a)为P偏振和s偏振的入射光合成得的线偏振光与脊形波导有45°夹角，(b)为P偏振和s偏振的入射光合成得的线偏振光与脊形波导有-45°夹角，(c)为45°夹角的数值计算得到的场分布图，(d)为-45°夹角的数值计算得到的场分布图，(e)线偏振光親合出的SPP模式的强度与偏振方向的关系，(f)线偏振光親合出的SPP模式的强度与偏振方向的关系；
[0023]图4为实施例二的P偏振和s偏振双向耦合的SPP模式的电场图，其中，(a)为实施例二的扫面电子显微镜图，(b)和(c)分布为入射光λ = 780nm的p偏振和s偏振I禹合得到的电场CCD图，(d)和(e)分别为数值计算得到的场分布图；
[0024]图5(a)至(C)分别为实施例三中，改变突起纳米颗粒的结构参数％和L d，数值计算得到的P偏振和S偏振耦合的SPP模式的强度，图5 (d)至(f)分别为两个缺陷结构对称放置在小孔两侧时改变突起纳米颗粒的结构参数％和L d，数值计算得到的P偏振和s偏振耦合的SPP模式的强度；
[0025]图6为实施例一中，入射光为圆偏振时SPP模式的激发图，其中，(a)和(b)分别是数值计算得到的右旋和左旋圆偏振的入射光从背面照射样品时，波导上面10nm处