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中国科学 G 辑:物理学 力学 天文学 2009 年 第 39 卷 第 2 期 : 191 ~ 195 SCIENCE IN CHINA PRESS 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: 摘要 作为基本的光学器件, 光定向耦合器被广泛用作分光计, 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1550和 有限时域差分法 1310 nm 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0.56 dB, 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(optical directional couplers, 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(finite difference time 开关、波长选择滤波器、光调制器等[1~6]. 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λ /n量级 , 其中λ 为自由空间的 0 0 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. 1310 nm 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 0.56 dB, 该数值在 体激元(surface plasmon polaritons, 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 对光的亚波长级限制[8]. 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 相互作用形成的混合激发态[8]. 在这种相互作用中, 用[9~13]. 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