光在纳米金属异质波导中的传输

摘要

传统的介质光波导由于受衍射极限的限制，横截面尺寸不可能做到半波长以下，这阻碍了光波导器件集成度的进一步提高。光波导理论表明，光在金属表面传播形成的表面等离子激元(SPPs)可以突破衍射极限的限制。SPPs是外界光场与金属表面电子相互作用而形成的一种表而电磁波，它只能局域在金属表而传播。由金属-电介质-金属结构组成的纳米金属通道波导可以有效传输横截面尺寸在衍射极限以下的光束，它的基模是两个金属表面在外场激发下产生的SPPs之间的相瓦耦合模式，由于截止条件不受金属板间距离的限制，波导宽度可以做到极窄的程度。在横截面的另一个方向，通过改变金属的介电常数，在铝通道波导中嵌入银波导构成异质波导，由于SPPs于后者所在区域的相速相对前者要低，根据光趋向于在低相速区传播的原则，光束被局限在银波导中传输，在异质波导出射端的近场区则可得剑横截面尺寸仅为20nm×30nm(0.002λ2)聚焦光斑。另一方面，在金属通道波导的纵向构造周期排列的异质结构，波导等效折射率的周期性调制会产生SPP带隙，在其中引入缺陷，还可以构建SPP谐振腔。此外，SPPs也可在由金属-电介质结构组成的非对称会属波导中传播，在金属狭缝周围引入周期排列的由银和铝制成的非对称金属异质波导，可以实现对光束的准直、聚焦和分束，准直光束的远场发散角可以达到-3°。