一種基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器及分束方法與流程
本發明屬于納米光子學技術領域，尤其涉及一種基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器及分束方法。
背景技術：
表面等離激元是金屬和介質界面上自由電子集體振蕩的電磁場模式，可以沿著金屬和介質界面傳播。表面等離激元超小的亞波長模式面積和局域共振特性使其在眾多領域具有廣泛的實際應用，如，納米尺度上的光操控、單分子水平的生物探測、亞波長孔徑的光透射增強和突破衍射極限的高分辨率光學成像等。
隨著眾多的納米器件設計方案被提出，人們迫切希望能夠利用表面等離激元的性質，在納米尺度上實現開發出新型器件。偏振分束器能夠將te模式(電矢量與傳播方向垂直)和tm模式(磁矢量與傳播方向垂直)的光波分開傳播，是納米光子學領域光子芯片的關鍵器件，引起了研究者廣泛的興趣，一直是研究的熱點。使te和tm兩種不同偏振光分束傳播到不同端口，對片上光通信、光互聯、光計算等都具有重要意義。
然而，現有的基于硅基偏振的分束器的尺寸通常在幾十微米大小，工作帶寬較窄且難以從近紅外擴展到可見光波段。
技術實現要素：
本發明的技術解決問題：克服現有技術的不足，提供一種基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器及分束方法，具有超小尺寸、超低串擾、工作帶寬大、利于集成等多個優點。
為了解決上述技術問題，本發明公開了一種基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器，包括：殼體、和設置在所述殼體內的第一光波導和第二光波導；
所述第一光波導和第二光波導平行、非對稱、間隔設置；其中，所述第一光波導和第二光波導之間的間隔形成納米狹縫；
所述第一光波導包括：第一金屬薄膜、第一低折射率薄膜和第一高折射率薄膜，以及貫穿所述第一金屬薄膜、第一低折射率薄膜和第一高折射率薄膜的第一納米槽；所述第一金屬薄膜、第一低折射率薄膜和第一高折射率薄膜由下至上依次設置；其中，入射光射入側為結構的下方；
所述第二光波導包括：第二金屬薄膜、第二低折射率薄膜和第二高折射率薄膜，以及貫穿所述第二金屬薄膜、第二低折射率薄膜和第二高折射率薄膜的第二納米槽；所述第二金屬薄膜、第二低折射率薄膜和第二高折射率薄膜由下至上依次設置；
所述第一光波導和第二光波導的外形尺寸參數相同；
所述第一金屬薄膜與第二金屬薄膜等厚；所述第一低折射率薄膜與第二低折射率薄膜等厚；所述第一高折射率薄膜與二高折射率薄膜等厚；所述第一納米槽與所述第二納米槽的結構尺寸參數不同；
所述殼體與所述第一光波導和第二光波導之間的空腔內填充空氣。
在上述基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器中，
金屬薄膜的厚度大于等于200nm；
低折射率薄膜的厚度處于40nm～500nm范圍內；
高折射率薄膜的厚度處于40nm～500nm范圍內。
在上述基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器中，
低折射率薄膜為：折射率大于等于1的透明絕緣介質；
高折射率薄膜為：折射率大于所述低折射率薄膜的折射率的透明絕緣介質。
在上述基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器中，
所述基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器的工作波長處于700nm～900nm范圍內。
在上述基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器中，
所述納米狹縫的寬度處于200nm～500nm范圍內；
所述第一納米槽的槽寬處于40nm～800nm范圍內；
所述第二納米槽的槽寬處于40nm～800nm范圍內；
所述第一納米槽與所述納米狹縫之間的中心距離處于40nm～800nm范圍內；
所述第二納米槽與所述納米狹縫之間的中心距離處于40nm～800nm范圍內。
相應的，本發明還公開了一種基于表面等離激元雜化波導的分束方法，所述方法應用于基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器，包括：
選擇電場方向垂直或平行于納米狹縫的線偏振緊聚焦高斯光作為入射光；
將所述入射光從所述偏振分束器底面的納米狹縫處射入；
通過所述偏振分束器將所述入射光分解為te模式和tm模式；其中，所述te模式和tm模式為兩個彼此獨立的本征模式；
耦合進入偏振分束器的第一光波導的tm模式的光與經由第二光波導的f-p腔反射的同一偏振光干涉相消，形成完美消光；同時，耦合進入偏振分束器的第二光波導的tm模式的光與經由第一光波導的f-p腔反射的同一偏振光干涉相長，達到表面等離激元的單向激發的相位和振幅條件；或，耦合進入偏振分束器的第二光波導的te模式的光與經由第一光波導的f-p腔反射的同一偏振光干涉相消，形成完美消光；同時，耦合進入偏振分束器的第一光波導的te模式的光與經由第二光波導的f-p腔反射的同一偏振光干涉相長，達到表面等離激元的單向激發的相位和振幅條件；其中，所述第一光波導的f-p腔由第一納米槽與納米狹縫之間的波導形成；所述第二光波導的f-p腔由第二納米槽與納米狹縫之間的波導形成。
在上述基于表面等離激元雜化波導的分束方法中，
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屬薄膜與低折射率薄膜的界面處。
在上述基于表面等離激元雜化波導的分束方法中，所述基于表面等離激元雜化波導的分束方法，還包括：
設置第一納米槽和第二納米槽的寬度和深度，以用于調節偏振分束器的反射率和透射率；
分別設置第一納米槽和第二納米槽距納米狹縫的距離，以用于調節干涉光之間的相位差；
設置納米狹縫的寬度，以用于調節第一光波導和第二光波導的耦合效率。
本發明具有以下優點：
本發明所述的基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器及分束方法，基于表面等離激元雜化波導實現，具有更小的器件尺寸；并且基于表面等離激元雜化波導的非對稱納米槽結構容易制備、靈活度高，保證了該器件具有超小尺寸(尺寸僅為若干微米，厚度僅為幾百納米)，易于在芯片上集成；信噪比高、超低串擾、工作帶寬大、器件性能穩定、實用性強；為超快速超寬帶信號處理提供了新方法。此外，結構簡單，可利用現有聚焦離子束刻蝕系統直接制備，可靈活調整參數，滿足不同工作波長的需求。
附圖說明
圖1是本發明實施例中一種基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器的結構示意圖；
圖2是本發明實施例中一種基于表面等離激元雜化波導的分束方法的步驟流程圖；
圖3是本發明實施例中一種表面等離激元雜化波導的模式分布圖；
圖4是本發明實施例中一種tm模式和te模式的傳播效率圖。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明公共的實施方式作進一步詳細描述。
參照圖1，示出了本發明實施例中一種基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器的結構示意圖。在本實施例中，所述基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器，包括：殼體100、和設置在所述殼體100內的第一光波導200和第二光波導300。
如圖1，所述第一光波導200和第二光波導300平行、非對稱、間隔設置。其中，所述第一光波導200和第二光波導300之間的間隔形成納米狹縫400。
在本實施例中，所述第一光波導200具體可以包括：第一金屬薄膜201、第一低折射率薄膜202和第一高折射率薄膜203，以及貫穿所述第一金屬薄膜201、第一低折射率薄膜202和第一高折射率薄膜203的第一納米槽204；其中，所述第一金屬薄膜201、第一低折射率薄膜202和第一高折射率薄膜203由下至上依次設置。類似的，所述第二光波導300具體可以包括：第二金屬薄膜301、第二低折射率薄膜302和第二高折射率薄膜303，以及貫穿所述第二金屬薄膜301、第二低折射率薄膜302和第二高折射率薄膜303的第二納米槽304；其中，所述第二金屬薄膜301、第二低折射率薄膜302和第二高折射率薄膜303由下至上依次設置。
結合圖1可知，在本實施例中，所述第一光波導200和第二光波導300的外形尺寸參數(長、寬、高)相同。所述第一金屬薄膜201與第二金屬薄膜301等厚；所述第一低折射率薄膜202與第二低折射率薄膜302等厚；所述第一高折射率薄膜203與二高折射率薄膜303等厚。所述第一納米槽204與所述第二納米槽304的結構尺寸參數不同。
其中，需要說明的是，所述第一納米槽204與所述第二納米槽304的結構尺寸參數不同包括：所述第一納米槽204與所述第二納米槽304的結構尺寸參數完全不同，和所述第一納米槽204與所述第二納米槽304的結構尺寸參數不完全相同。在本實施例中，結構尺寸參數完全不同或不完全相同的第一納米槽和第二納米槽與納米狹縫的結構設計，實現了偏振分束器對te和tm兩種模式在兩側的干涉效應的調節，形成只對一種偏振光敏感的工作通道，進而實現對光信號不同偏振態的分離。具體的，第一納米槽204與納米狹縫400之間的波導構成了第一光波導的f-p腔(法布里-珀羅腔)，第二納米槽304與納米狹縫400之間的波導構成了第二光波導的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，通過設置納米槽(第一納米槽和第二納米槽)的寬度和深度，可以實現對透射率和反射率的調節。在本實施例中，耦合進波導的光將在由納米槽隔出的f-p腔中發生多光束干涉，對于不同偏振的光，有各自不同的特定波長的光由于干涉相長可以通過f-p腔，而余下的大部分波長的光由于干涉相消幾乎全部被反射至另一端，由此我們可通過對納米槽的參數調節實現分偏振的功能。
進一步的，在本實施例中，以電場方向垂直或平行于納米狹縫的線偏振緊聚焦高斯光作為入射光，從薄膜底面的納米狹縫處入射；其中，入射光射入側為結構的下方，
此外，圖1中所示的結構的留白處代表的是刻蝕掉的部分，由空氣填充，也即，所述殼體與所述第一光波導和第二光波導之間的空腔內填充空氣。
優選的，在本實施例中，金屬薄膜(第一金屬薄膜和第二金屬薄膜)的厚度大于等于200nm，材料可以選擇金、銀、銅、鋁等貴金屬。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)的厚度均在亞波長量級，即，低折射率薄膜的厚度處于40nm～500nm(包括40nm和500nm)范圍內，高折射率薄膜的厚度處于40nm～500nm(包括40nm和500nm)范圍內，以滿足表面等離激元雜化波導同時支持te和tm兩個模式。需要說明的是，本發明實施例中所涉及的范圍值均包含上限值和下限值，不再一一贅述。
優選的，在本實施例中，低折射率薄膜為：折射率大于等于1的透明絕緣介質；高折射率薄膜為：折射率大于所述低折射率薄膜的折射率的透明絕緣介質。
優選的，在本實施例中，所述基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器的工作波長處于700nm～900nm范圍內。
優選的，在本實施例中，所述納米狹縫的寬度處于200nm～500nm范圍內。兩個納米槽距納米狹縫的距離以及兩個納米槽自身的寬度均在亞波長量級，且滿足納米縫兩側的納米槽結構參數不相同，形成左右非對稱納米槽。即，所述第一納米槽的槽寬處于40nm～800nm范圍內，所述第二納米槽的槽寬處于40nm～800nm范圍內，所述第一納米槽與所述納米狹縫之間的中心距離處于40nm～800nm范圍內，所述第二納米槽與所述納米狹縫之間的中心距離處于40nm～800nm范圍內。
優選的，在本實施例中，te模式的光主要耦合到第一光波導的te通道，tm模式的光主要耦合到第二光波導的tm通道，從而達到了分偏振的效果。
基于上述基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器的描述，本實施例還公開了一種基于表面等離激元雜化波導的分束方法，該分束方法基于上述實施例中的偏振分束器實現。
參照圖2，示出了本發明實施例中一種基于表面等離激元雜化波導的分束方法的步驟流程圖。在本實施例中，所述基于表面等離激元雜化波導的分束方法，包括：
步驟201，選擇電場方向垂直或平行于納米狹縫的線偏振緊聚焦高斯光作為入射光。
步驟202，將所述入射光從所述偏振分束器底面的納米狹縫處射入。
步驟203，通過所述偏振分束器將所述入射光分解為te模式和tm模式；其中，所述te模式和tm模式為兩個彼此獨立的本征模式。
在本實施例中，由于該偏振分束器為基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器，基于表面等離激元雜化波導的特性，入射光可被分解為te和tm兩個彼此獨立的本征模式。
步驟204，耦合進入偏振分束器的第一光波導的tm模式的光與經由第二光波導的f-p腔反射的同一偏振光干涉相消，形成完美消光；同時，耦合進入偏振分束器的第二光波導的te模式的光與經由第一光波導的f-p腔反射的同一偏振光干涉相長，達到表面等離激元的單向激發的相位和振幅條件；或，耦合進入偏振分束器的第二光波導的te模式的光與經由第一光波導的f-p腔反射的同一偏振光干涉相消，形成完美消光；同時，耦合進入偏振分束器的第一光波導的tm模式的光與經由第二光波導的f-p腔反射的同一偏振光干涉相長，達到表面等離激元的單向激發的相位和振幅條件。
在本實施例中，如前所述，所述第一光波導的f-p腔由第一納米槽與納米狹縫之間的波導形成；所述第二光波導的f-p腔由第二納米槽與納米狹縫之間的波導形成。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屬薄膜與低折射率薄膜的界面處，兩種模式的光受到了不同程度的透射與反射。
優選的，由于表面等離激元雜化波導支持的tm和te模式的有效折射率不同，通過調整兩個納米槽的寬度、深度及其到納米狹縫的距離，可以使得直接耦合進第一光波導的tm模式的光與經由對側(第二光波導)的f-p腔反射的同一偏振光滿足振幅大致相等、相位相反，實現干涉相消，形成完美消光；與此同時，耦合進入第二光波導的tm模式與經由對側(第一光波導)的f-p腔反射的同一偏振光滿足振幅大致相等、相位相同，實現干涉相長，達到表面等離激元的單向激發的相位和振幅條件，從而實現在特定工作波長下兩側波導只接受特定偏振的光信號。類似的，可以使得直接耦合進第二光波導的te模式的光與經由對側(第一光波導)的f-p腔反射的同一偏振光滿足振幅大致相等、相位相反，實現干涉相消，形成完美消光；與此同時，耦合進入第一光波導的te模式的光與經由對側(第二光波導)的f-p腔反射的同一偏振光滿足振幅大致相等、相位相同，實現干涉相長，達到表面等離激元的單向激發的相位和振幅條件，從而實現在特定工作波長下兩側波導只接受特定偏振的光信號。
優選的，在本實施例中，所述基于表面等離激元雜化波導的分束方法還可以包括：設置第一納米槽和第二納米槽的寬度和深度，以用于調節偏振分束器的反射率和透射率；分別設置第一納米槽和第二納米槽距納米狹縫的距離，以用于調節干涉光之間的相位差；設置納米狹縫的寬度，以用于調節第一光波導和第二光波導的耦合效率。
對于方法實施例而言，由于其與裝置實施例相對應，所以描述的比較簡單，相關之處參見裝置實施例部分的說明即可。
基于上述實施例。下面通過一個具體實例，對本發明所述的方案進行說明。
當入射光波長為780nm時，表面等離激元雜化波導的模式分布如圖3，圖3示出了本發明實施例中一種表面等離激元雜化波導的模式分布圖。其中，金屬薄膜的厚度為300nm，低折射率薄膜采用厚度為65nm的二氧化硅膜，高折射率薄膜采用厚度為130nm的鈮酸鋰膜。其中，圖3a具體示出了te模式的電場大小分布圖和有效折射率，te模式主要局域在高折射率薄膜中；圖3b具體示出了tm模式的電場大小分布圖和有效折射率，tm模式主要局域在金屬薄膜和低折射率薄膜界面處。換而言之，由圖3可知，本發明所設計的三層薄膜結構在780nm(其他波長段可作類似的推廣)處支持兩種模式(tm模式和te模式)，兩種模式相互獨立，在設計結構時可對兩種模式分開討論。
進一步優選的，參照圖4，示出了本發明實施例中一種tm模式和te模式的傳播效率圖。其中，圖4(a)具體示出了不同入射波長下te模式下納米狹縫左右兩邊波導的傳播效率；圖4(b)具體示出了不同入射波長下tm模式下納米狹縫左右兩邊波導的傳播效率。在本實施例中，納米狹縫的寬度可以為350nm；第一納米槽的結構尺寸參數可以如下：槽寬、槽深以及距納米狹縫的距離分別為300nm、300nm和250nm；第二納米槽的結構尺寸參數可以如下：槽寬、槽深以及距納米狹縫的距離分別為300nm、300nm和330nm。
下面對如何調整本發明所述的基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器的具體結構參數，以滿足偏振分束器不同的工作波長的需要進行說明。
首先，通過調節薄膜(金屬薄膜、低折射率薄膜和高折射率薄膜)的厚度，實現不同偏振在選定工作波長的有效折射率。
然后，在確定有效折射率之后，通過調整納米槽的大小和位置得到一個偏振分束器，該偏振分束器的工作波長與納米槽的大小和位置相關。
具體的，假設te模式的有效折射率為1.70，tm模的有效折射率為1.78，具體可以通過如下結構設計，得到工作波長為780nm的偏振分束器：
以第一納米槽為例，根據多光束干涉原理，通過第一納米槽的透射光強i(t)為：
其中，i(i)表示入射光的光強；δ表示相鄰兩束光之間的相位差，
可見，在本實施例中，當將第一納米槽的長和寬設置為300nm時，令a＝2，可以計算得到f＝0.23，進而，可以確定在d＝230nm時，第一納米槽具有極大的透射率，因此，此時將第一納米槽設置在距納米狹縫230nm的地方，可使第一納米槽允許te模式通過。
進一步的，被第一納米槽反射到對此的光ar與耦合進對側的光束a(i)發生干涉作用，進而朝對側傳播的總光強將與反射光ar和a(i)成正比，比例與ar和a(i)的相位差
在本實施例中，可用如下經驗公式估計反射光的光強ir：ir＝2|a(i)||ar|cosα。其中，ar可由如下公式計算：
遵循同樣的原理，可以根據工作波長得到第二納米槽的大小與位置。
此外，也可以在確定結構的情況下通過計算或模擬得到偏振分束器的工作波長。
綜上所述，本發明所述的基于表面等離激元雜化波導的偏振分束器及分束方法，基于表面等離激元雜化波導實現，具有更小的器件尺寸；并且基于表面等離激元雜化波導的非對稱納米槽結構容易制備、靈活度高，保證了該器件具有超小尺寸(尺寸僅為若干微米，厚度僅為幾百納米)，易于在芯片上集成；信噪比高、超低串擾、工作帶寬大、器件性能穩定、實用性強；為超快速超寬帶信號處理提供了新方法。此外，結構簡單，可利用現有聚焦離子束刻蝕系統直接制備，可靈活調整參數，滿足不同工作波長的需求。
本說明中的各個實施例均采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似的部分互相參見即可。
以上所述，僅為本發明最佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。
本發明說明書中未作詳細描述的內容屬于本領域專業技術人員的公知技術。
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