非对称阶梯型亚波长金属透射光栅垂直耦合分波方法的研究

提出了一种基于非对称阶梯型亚波长金属透射光栅的垂直耦合分波方法，在纳米尺度上实现了对不同波长光波能量的操控。主要研究内容：1.从表面等离子波相干理论出发，建立阶梯型亚波长金属透射光栅光谱特性的理论模型；2.利用时域有限差分（FDTD）方法研究宽频率范围内非对称亚波长阶梯型金属透射光栅-纳米介质波导-非对称亚波长金属反射光栅结构的分波机理和特性，并根据这些机理和特性，选择恰当的结构参数，优化整体性能；3.制备非对称阶梯型金属透射光栅垂直耦合分波方法的实验样品,测试样品的耦合效率、光谱特性，验证理论模型的有效性。4.试制基于非对称亚波长金属透射光栅垂直耦合分波方法的原型器件。主要指标为：隔离度大于20dB；耦合效率大于70%；分离波长的间隔小于100nm。

基于非对称阶梯型亚波长金属透射光栅的垂直耦合分波方法，在纳米尺度上实现了对不同波长光波能量的操控，为设计纳米尺度的分波器件进行有意义的拓展。通过研究不同波长的光在非对称阶梯型亚波长金属光栅中的传输机理和分波特性，实现高耦合效率、高隔离度的光分波效果。本项目完成的工作包括：1. 采用波导理论分析亚波长金属光栅的透过光谱特性。亚波长金属光栅中表面等离子波传播常数存在实部小于零的波长范围内，并随着金属光栅的几何结构参数而改变，表面等离子波无法在亚波长金属光栅中传播而被禁止，因而实现了波长选择性。采用FDTD模拟得到亚波长金属光栅分波器波长分离结果与周期性波导理论的分析非常吻合，并利用离子束刻蚀方法制备了透射型亚波长金属光栅表面等离子波分波器。2. 采用转移矩阵方法研究了表面等离子波在亚波长双面金属皱阶波导中的传播。通过选择皱阶波导结构参数，分析表面离子波的禁带宽度，实现了从可见光波段到红外波段的波长分离。并利用FDTD方法模拟了亚波长双面金属皱阶波导分波结构两通道的表面等离子波禁带随着皱阶间隙宽度的变化。3. 设计并优化了非对称阶梯型亚波长金属透射光栅分波器。采用亚波长非对称阶梯型透射光栅结构，提高了分波器的耦合效率；结合亚波长双面金属皱阶波导结构，FDTD数值模拟对表面等离子波实现了间隔小于30nm的波长分离。采用离子束刻蚀方法制备了非对称阶梯型亚波长金属透射光栅分波器，并测试了器件的性能参数。