光波从自由空间向亚波长波导结构的耦合研究-云南大学学报.PDF

云南大学学报（自然科学版），２０１４，３６（６）：８５３～８６０ ＤＯＩ：１０．７５４０／ｊ．ｙｎｕ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙｕｎｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ 光波从自由空间向亚波长波导结构的耦合研究∗ 杨凤英，陈跃刚 （贵州大学 理学院，贵州 贵阳　 ５５００２５） 摘要：在光学集成中，自由空间中光波耦合进入波导是很重要的．利用纳米天线共振，自由空间中的光波能 够耦合进入波导．在天线下方添加反射层反射透过光波，提高入射光波的利用率，从而增加耦合效率．利用３维 － 时域有限差分（３Ｄ ＦＤＴＤ）方法模拟光波与金属结构的相互作用，优化结构参数．结果发现添加反射层能够提 高光波的耦合效率，最大达２７．８％． 关键词：集成光学；表面等离子体；纳米光学天线；耦合效率 － － － 中图分类号：Ｏ４３１．１；Ｏ４３６　 　 文献标志码：Ａ　 　 文章编号：０２５８ ７９７１（２０１４）０６ ０８５３ ０８ 　 　 随着制作纳米技术的成熟，表面等离子体激元 限差分（ＦＤＴＤ）方法模拟“Ｈ”形光学共振天线的局 ［２３］ （ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ，ＳＰＰｓ）共振研究成为一 域近场增强特性 ．２００９年，黄哲勋等利用阻抗匹 － ［１ ２］ 个热点问题 ．由于ＳＰＰｓ具有近场增强和突破 配原理在金属波导两端连接偶极子天线实现光波 ［３］ ［８］ 衍射极限的特点，已经在生物化学传感器 、非线 在自由空间和波导间的耦合 ．２０１１年，方哲宇等 ［４］ ［５］ ［６］ 性光学 、太阳能电池 、超衍射成像 和集成光 利用蝶形天线将自由空间光波耦合进入银纳米线 － ［７ ９］ ［９，２０］ 学 等领域得到广泛研究．在集成光学中，已经提 波导结构 ．２０１１年，Ｗｅｎ 等实验研究远场光波 － ［１０ １１］ ［１２］ 出了很多的元件，如波导 、Ｙ 型分束器 、共 耦合进金属缝隙波导，在通信波段 １５５０ ｎｍ耦合 ［１２］ ［１３］ ［１４］ ［２４］ 振环 、滤波器 和吸收器件 等．光波导是一 效率最大值为１５％ ．目前，天线耦合自由空间光 种基本元器件，控制光波的传播，其作用类似于集 波进入波导存在几个问题：第一，光波通过金属结 成电路中的电线．如何让光能量在自由空间与波导 构的欧姆损失被吸收；第二，由于天线与波导的阻 进行相互耦合，常见的转换方式有棱镜耦合、光栅 抗匹配问题，使得ＳＰＰ