实现片上波前整形的类金属线结构和非对称传输的应用的制作方法

1.本发明属于微纳近场光学和集成光子学技术领域，尤其涉及一种基于表面等离子体极化子的片上波前整形设计和片上非对称传输的技术。


背景技术：

2.传统的三维超材料和二维超表面在控制电磁波方面表现出压倒性的能力。然而，制造复杂的三维体结构或多层之间的纳米级对齐的挑战限制了它们的实际应用，并且无法实现片上集成光子器件。因此，新兴的片上元设备降维设计将具有广阔的研究价值。
3.为了实现多功能片上光子集成设备，特别需要可以在平面内操纵表面波的器件系统。表面等离子体激元极化子(surface plasmon polaritons,spps)是一种电磁波，它沿着金属和电介质的界面传播，并沿垂直于界面的方向呈指数衰减。由于它被限制在具有显著场增强的亚波长范围内，可以用于多种电子和光子应用。控制spp沿着金属
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电介质界面的传播是片上集成等离激元系统发展的关键。亚波长结构已经成为控制表面波的有用方法。目前，已有不同的结构例如纳米缝隙，纳米孔，环，布拉格镜，介电微盘或微立方体，等离子超表面(超光栅)等被使用来实现spp传播的调制。然而，这些介电结构或者超表面主要基于有效折射率理论来实现spp波的操纵和聚焦，并且通常有的具有较大的面内尺寸，这使得难以进一步进行片上集成。
4.另外，不可逆光传播由于其在集成光学器件和不可逆光学组件中的潜在价值而引起了广泛的关注。传统上，不可逆性是通过磁光材料，时变组件或非线性材料实现的，这些材料有较大损耗且体积太大，无法集成到现代光子系统中。据我们所知，对于可见光中的spp波，尚无关于其片上不可逆光传播的研究的方法，因此实现宽带片上不可逆光传播也是非常具有挑战性的，因此如何将各种光学器件变得更紧凑、更小型化、多功能化，片上集成化等，亟待新的技术创新和革命。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的不足，本发明提供了一种基于一维等离激元类金属线结构实现宽带面内偏折设计及其级联双层结构的非对称传输技术。
6.本发明提供的技术方案如下：
7.第一方面，本发明提供实现片上波前整形的类金属线结构，由底层金属膜、中间层电介质和上层金属梯形纳米天线三层堆叠构成；
8.所述金属梯形纳米天线周期性纵向一维排列于中间层电介质上。
9.进一步，通过纳米天线结构参数的优化，宽带可见光区域下spp经所述一维等离激元类金属线结构后实现面内偏折。
10.更进一步，所述结构参数包括纳米天线的上底、下底、高、厚度和周期。所述周期为纳米天线的纵向间距。
11.进一步，所述底层金属膜的材料包括金、银、铝和铜等；所述金属梯形纳米天线的
材料包括金、银、铝和铜等。
12.进一步，所述中间层电介质的材料为二氧化硅。第二方面，本发明提供一维等离激元类金属线结构级联双层结构，通过在第一方面所述的纳米天线一侧平行设置周期性光栅阵列构成。
13.进一步，通过双层结构参数优化，从垂直于阵列结构的相反方向传播的spp经过所述双层结构后，实现非对称偏折。
14.更进一步，该双层结构在实现非对称偏折基础上，通过将梯形纳米天线纵向对称排布进一步实现面内非对称透镜的功能，即前向传播时是一个会聚透镜的功能，而在后向传播时是一个发散透镜的功能。
15.进一步，所述双层结构参数包括纳米天线的上底、下底、高、厚度和周期，所述光栅结构的参数包括光栅的长度、宽度、厚度和周期，以及纳米天线和光栅之间的距离。
16.更进一步，所述纳米天线的周期为纳米天线的纵向间距；所述光栅的周期为光栅之间的间距。
17.进一步，所述底层银膜和中间层电介质厚度，上层银梯形纳米天线和周期性光栅结构均为亚波长或波长量级。
18.第三方面，本发明利用第二方面所述的级联双层结构作为非对称传输器件(如非对称透镜)在片上转换光学器件、信息处理、光谱仪和传感器中的应用。
19.与传统的平面内操纵spp器件相比，本发明所涉及的基于一维等离激元类金属线结构实现可见光宽带面内偏折设计及其级联双层系统的非对称传播技术具有如下优点和有益效果：
20.(1)仅由垂直于传播方向上的一列梯形纳米天线阵列组成的一维等离激元类金属线结构实现宽带可见光区域的面内spp偏折功能，结构简单易于加工，同时还具有超微尺寸，易加工，宽带响应，易于进行片上级联集成等重要优点。
21.(2)通过在一维等离激元类金属线后级联精心设计的周期性光栅结构组成平面内双层系统，就可以实现宽带可见光区域的面内spp的非对称偏折的传输功能，设计十分简单。
22.(3)基于(2)中双层系统的非对称偏折功能，通过将双层中的一维等离激元类金属线中的梯形结构对称排布可实现面内非对称传输技术(如，非对称透镜)，该技术可应用于片上转换光学器件、信息处理、光谱仪和传感等重要领域。
附图说明
23.图1是本发明中一维等离激元类金属线结构实现面内spp偏折功能示意图以及梯形单元具体结构构成示意图；
24.图2是本发明实施例中宽带可见光区域下spp经过一维等离激元类金属线偏折的面内偏折角度随入射波长变化对应关系的仿真效果图；
25.图3是本发明实施例中不同波长下spp经过一维等离激元类金属线偏折的平面电场仿真效果图；
26.图4是本发明中在一维等离激元类金属线后级联光栅的面内双层结构及位置关系示意图；
27.图5是本发明实施例中宽带可见光区域下spp经过级联的双层结构实现非对称偏折的面内偏折角度随入射波长变化对应关系的仿真效果图；
28.图6是本发明实施例中在单波长下spp分别从前向和后向传播经过级联的双层结构实现非对称偏折的平面电场仿真效果图；
29.图7是本发明中利用一维等离激元类金属线级联光栅的面内双层结构实现非对称聚焦的示意图；
30.图8是本发明实施例中在单波长下spp经过级联的双层结构实现非对称聚焦的平面电场仿真效果图；
31.图中，h1为底部银层的厚度、h2为中间层二氧化硅厚度、h3为顶部银微结构的厚度，w1、w2分别为梯形结构的上底和下底，l
y
为梯形的高度，p
y
为单元在y方向的周期，w
g
为级联光栅的宽度，l为级联光栅的长度，d为梯形与光栅两层之间的间隙长度。
具体实施方式
32.为了更清楚的说明本发明结构以及其实现的功能，下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明，本发明的内容完全不限于此。
33.实施例1
34.本实施例为一种一维等离激元类金属线结构的具体设计过程，及利用其实现宽带可见光区域下spp的面内偏折的具体实施方法。
35.本实施例以梯形银纳米天线作为一维等离激元类金属线的单元结构，如图1所示，在底部200nm厚度的银膜上刻蚀宽度为100nm的狭缝用于激发spp模式，二氧化硅层作为中间层，厚度为50nm。利用电磁仿真软件fdtd solutions对梯形银纳米天线层进行优化模拟，得到梯形的周期(即纳米天线纵向距离)为950nm，下底和上底分别为450nm和60nm，厚度和高度分别为130nm和800nm。由狭缝激励的spp模式在面内传播经过一维等离激元类金属线就可以实现面内偏折，图2绘制了spp的面内偏折角度随入射波长变化对应关系的仿真图。图3展示了spp模式在520nm、600nm和680nm三个波长处的面内偏折电场分布的仿真效果图，分别指示了33.2
°
，38.9
°
和45.9
°
的偏转角(相对于入射方向)，从图中可以看出，在宽带可见光区域的都有较好面内波前整形效果。
36.实施例2
37.本实施例中，实现spp的宽带可见光区域下的非对称偏折，可以通过在一维等离激元类金属线后级联光栅的得到面内双层结构来实现，如图4所示。
38.本实施例在距离图1中的一维等离激元类金属线后面900nm的间隔处放置周期性的银光栅结构，通过fdtd solutions对第二层的光栅的结构参数和位置进行优化设计。考虑非对称传输的性能及器件的尺寸，光栅的参数选择如下：光栅的周期(即光栅的纵向距离)也为950nm，长度和宽度分别为1350nm和150nm，厚度与梯形结构的厚度是相同的，均为130nm，而且光栅的脊与相邻梯形纳米天线之间的间隙是对齐的。在级联系统的两侧分别放置两个相同的狭缝用于激发相反方向传播的spp模式。在本实施例的设计中，从不同方向传播的spp经过这样的双层系统后，展现出片上的宽带可见光区域的非对称传输，如图5所示，根据不同方向传输的spp的偏转角和入射光的波长绘制了偏折角度随入射波长变化对应关系的仿真图。图6展示了波长为672nm的前向传播和后向传播的spp模式经过双层结构后的
面内偏折电场分布的仿真效果图，可以看到沿着x方向前向传播经过双层结构后的波前向下偏折，而在沿着－x方向的后向传播时波前向上偏折。
39.基于上述双层系统的非对称传输性能，本实施例进一步进行面内传输的非对称透镜功能的设计，如图7所示，将梯形纳米天线纵向对称排布，光栅不变。图8为波长为656nm处的面内电场分布的仿真效果图，从不同方向传输的spp模式的波前分布可以看出较好的面内非对称透镜功能效果，即前向传播时是一个会聚透镜的功能，而在后向传播时是一个发散透镜的功能。
40.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明保护的范围并不局限于此，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所做的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在发明的保护范围之内。