基于表面等离子激元的光定向耦合器[1]

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1、中国科学G辑:物理学力学天文学2009年第39卷第2期:191~195《中国科学》杂志社www.scichina.comphys.scichina.comSCIENCEINCHINAPRESS基于表面等离子激元的光定向耦合器*赵华伟,黄旭光,黄景堂华南师范大学信息光电子科技学院光子信息技术广东省高校重点实验室,广州510006*联系人,E-mail:zhw01981@163.com收稿日期:2008-01-11;接受日期:2008-03-28广东省自然科学基金建设项目资助(编号:07117866)摘要作为基本的光学器件,光定向耦合器被广泛

2、用作分光计,光开关等.提出了一种关键词可以高度集成的基于表面等离子体的新型光定向耦合器.采用时域有限差分的方法模拟表面等离子体计算了该耦合器的各种特性,结果表明提出的新型光定向耦合器遵守传统光定向耦合器光定向耦合器的一般耦合规律,但其横向尺寸在纳米量级,极大地提高了其光学集成度.对于有限时域差分法1550和1310nm的入射波长,当其耦合区长度为一个耦合长度时,其额外损耗分别为0.57和0.56dB,该数值在可以使用的范围内.因此,对该新型光定向耦合器的研究具有重要的实际运用价值.光定向耦合器(opticaldirectionalcoup

3、lers,ODC)要的理论和现实价值.作为光学系统中的基础元件被广泛用于光分路器、光本文运用有限时域差分(finitedifferencetime[1~6]开关、波长选择滤波器、光调制器等.但传统全domain,FDTD)的方法给出了TM偏振光入射时该新介质型耦合器受衍射极限的限制(传统的介质波导对型耦合器的光学特性.结果表面,文中提出的新型光[7]光波模式的限制在λ0/n量级,其中λ0为自由空间的定向耦合器遵守传统介质型光定向耦合器的一般耦光波长,n为介质折射率),其尺寸相对较大,限制了合规律,但其耦合长度在波长量级,横向尺寸在纳米其在

4、纳米集成光学中的应用.因此,如何获得突破衍量级,这极大地提高了其光学集成度.对于1550和射极限的新型光耦合器成具有重要意义.1310nm的入射波长,当其耦合区长度为耦合长度一亚波长金属狭缝结构,利用激发的表面等离子半时,其额外损耗分别为0.57和0.56dB,该数值在体激元(surfaceplasmonpolaritons,SPPs),可以实现可以使用的范围内.因此,对该新型光定向耦合器的[8]对光的亚波长级限制.这打破了传统光学器件衍射研究具有重要的实际运用价值.极限的限制,在实现光学器件的纳米集成方面具有巨大的潜力.另外,SPPs还

5、具有巨大的局部场增强1表面等离子体激元的基本特性效应,这种局部增强效应已经在高灵敏生物化学传SPPs是局域在金属表面的一种自由电子与光子感、新型光源、高效光学元器件等领域获得了广泛应[8]相互作用形成的混合激发态.在这种相互作用中,[9~13]用.目前,有关该新型金属波导的研究多停留在金属表面电子的集体振荡与光波的电磁场产生共振[7,14]对直型、弯曲型简单波导结构传输特性的研究上,构成SPPs.表面电子的集体震荡同入射光的电场相而对基于这种新型结构的光耦合器的研究却很少.互作用形成了SPPs独特的特性.通过改变金属的表因此,对基于SPP

6、s的新型耦合器的模拟研究具有重面结构,可以控制SPPs的特性——特别是它们与光191赵华伟等:基于表面等离子激元的光定向耦合器的相互作用,这为研制基于SPPs的新型光学装置提供了潜在的可能.与SPPs沿金属表面传输的性质相反,在与金属表面垂直的方向,SPPs的场强随着进入金属表面的深度而迅速衰减.如在x,z平面内,在金属介界面[14,15]上沿x方向传输的SPPs,其电场方程表示为Esp(,)xz=−E0exp(ikxkzspz),(1)(1)式表明在垂直于金属表面的方向上SPPs的强度图1基于SPPs的新型ODC示意图呈指数衰减,这种特

7、性阻止了光能量从金属表面脱离.因此,该纳米金属介质结构具有将光束束缚在纳模拟计算此类金属SPPs型光器件的正确性.米范围传输的能力,这为实现光电子器件的纳米集此时,我们用上述FDTD方法模拟分析了基于成化提供了基础.SPPs的新型ODC.该新型ODC弯曲部分的分支角度在可见光谱区金属银的损耗最小,传输距离一比常规耦合器的分支角度要大,以保证弯曲部分的般在10~100μm,在1.5μm的近红外通信波段其传耦合对耦合区的耦合影响较小.另外,由于弯曲部分[11]输距离增加到近1mm.因此,我们提出了运用银在模拟过程中始终保持不变,故弯曲部分的耦

8、合影和空气激发SPPs的新型ODC.响将为一个常数.弯曲部分等效一定长度的耦合区2模拟及结果长度L,其影响仅使得该耦合器的耦合曲线前移.但这些对文中该新型基于SPPs的ODC光学特性的研究本文