基于纳米天线的亚波长光学集成中的耦合物理问题研究

光路集成中主要的问题是将器件的尺寸缩小。光学纳米尺度集成受到光学衍射极限的限制,不能突破波长量级。近来金属纳米结构中的等离子体波能够将光波的能量控制到亚波长范围，使光学器件在纳米尺度集成成为可能。亚波长等离子体集成光路基本有三部分功能（1）将远场转化为能在金属波导中传输的局域模；（2）操控等离子体激元的结构，如金属-介质-金属波导、双线波导和"V"型槽等光学波导；（3）有效的将局域模转化为行波，以便探测等。亚波长波导控制表面等离子体波在小于波长的尺度进行传输，光波能量的耦合进入和出来显得特别重要。这时候在亚波长波导内，光场为局域倏逝场，测试需比较难，需要近场转化为远场。光频段的金属纳米天线能够通过共振将场局域增强和近场转化为远场辐射，实现远场传播模与近场亚波长尺度局域场耦合和转化。我们研究用纳米金属天线以及阵列结构将光波耦合进入波导和从波导中耦合出来以及实现波长选择性耦合、路由等功能。

表面等离子体在紧凑光学集成中有重要的应用。光学集成中主要的问题是将器件的尺寸缩小。光学纳米尺度集成受到光学衍射极限的限制，不能突破波长量级。近来金属纳米结构中的等离子体波能够将光波的能量控制到亚波长范围，使光学器件在纳米尺度集成成为可能。为实现等离子体纳米光学集成，我们利用天线和表面全息法设计凹槽阵列等纳米结构操控表面等离子体波，研究利用天线和凹槽阵列将自由空间中光波耦合进入波导、金属板之间表面等离子体波的互连、表面等离子体波长和复杂波面操控等问题。. 研究在三维小孔前方和后方放置天线，发现可以增强小孔的透射。当天线共振模的阶数和小孔共振模的阶数同为二阶和三阶时，它们相位匹配，能够相互耦合，形成强透射峰。利用光学天线将自由空间中的平面波耦合到硅波导的基模中。利用纳米天线共振，自由空间中的光波能够耦合进入金属波导。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。通过优化结构参数，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%。. 我们发展了表面全息法，从理论上证明其能够应用于面内表面等离子体波的控制。我们应用该方法设计凹槽阵列，实现大面积的自由空间光波耦合到复杂波面的表面等离子体波，也能耦合到波导。对于20*20微米的入射平面，最大耦合效率达到12.6%。我们提出了表面等离子体波在板间耦合的概念。考虑两种板间耦合：空气层间隔的两块金属板和厚金属层间隔的两束等离子体波的耦合。我们给出了相应的实现方案，设计凹槽阵列将等离子体波从第一面耦合出来，然后利用纳米天线或者凹槽阵列将光波再次耦合到另一金属表面的等离子体波。利用表面全息法，我们演示了面内复杂表面等离子体波的操控，生成复杂波面和复杂波面的等离子体波的汇聚，以及相位的控制。另外我们提出合成表面全息法，利用其进行面内表面等离子体波的波长操控，实现表面等离子体波的宽带聚焦和波分复用。通过时域有限差分法模拟，展示了双波长的解复用和260纳米带宽的聚焦。