金属-磁光表面等离子体波导的色散和模式特征分析

要实现波导的单向传输,就需要使正负传播方向上的光子晶体的带隙或磁表面等离子体(Magnetic Surface Plasmon Polaritons,MSPP)模式发生分裂,表现出非对称的光子带隙和色散关系曲线。这需要在物理上打破传输系统的时间反演对称性,要求系统中有非互易介电张量和结构上的非对称性。这里选择InSb作为THz磁光非互易材料,下面通过设计非对称的器件结构来实现系统的非对称性。这种结构不仅要能实现单向传输,还要能通过结构设计提高THz波与磁光材料的相互作用,增强器件的磁光非互易效应,提高正向传输透过率和隔离度。

金属-磁光表面等离子体波导(Metal-Magneto Optic Surface Plasmon Waveguide,MMSPW)隔离器的结构如图7.25所示,它由一个金属壁和一列方形半导体InSb柱构成。InSb柱宽L=60μm,柱中心间距a=100μm,柱高200μm。一维柱阵列与金属壁间的空气间隙构成波导结构,波导宽w=50μm。器件工作时在沿半导体柱轴线方向(z方向)施加一个均匀磁场形成Voigt配置,由于这里采用的InSb为旋电磁光材料,故正好与前面的铁氧体相反,入射THz波为TM偏振波(电场矢量在x-y平面内)时才具有磁光效应。在单向传输频段内的THz波仅能从器件的输入端入射,在柱阵列与金属壁间的波导中传输后从输出端出射;从输出端入射的THz波会很快从柱阵列右边沿泄漏到周围的空气中,无法在此波导中传输,从而实现单向传输的功能。

图7.25　金属-磁光表面等离子体波导隔离器的结构示意图[7]

(a)三维图;(b)俯视图

(www.xing528.com)

图7.26　在195 K温度下,MMSPW的光子带隙结构,图中标注出的黄色频带为光子带隙、绿色频带为单向隔离传输频带[7]

(a)1 T;(b)1.2 T

图7.27　βy/πa=1时,各模式的分布,FEM中使用的边界条件也在模式1中标出[7]

这里利用FEM方法计算了MMSPW正反传播方向上的色散关系曲线和模式分布,结果分别如图7.26和图7.27所示。如图7.27所示,将单个结构单元中y方向的两个边界设置为一对周期性边界条件,在x方向上左边界设置为完美电导体边界条件,右边界设置为开放性边界条件。这样由于InSb材料的旋电性和边界条件的非对称性,使得波导的时间反演对称性被破坏,如图7.26所示,正负传播方向上的波导色散关系曲线是不同的。又由于引入周期结构,色散关系曲线还在THz波段表现出显著的光子带隙特性,落在光子禁带内的THz频率将不能在MMSPW中传输。材料的旋电性带来简并模式的磁光分裂,使得这一结构产生与各向同性材料光子晶体明显不同的带隙和多个模式,各个模式的性质有很大不同,即使同一模式在正负传播方向上的色散和局域性质也有差异。

如图7.27所示,模式1是一个沿着InSb柱右边沿传播的MSPP模式,模式2和模式4为InSb柱中的旋转磁光模式,通过磁光耦合沿着一维InSb柱阵列传播。这三个模式在空间上的局域性很弱,在很短的传播距离内就大量泄漏到右侧的空气中,因此不能在MMSPW中稳定传输。只有模式3被很好地限制在InSb柱阵列左边沿和金属壁之间的波导中,是可以稳定地支持THz波在MMSPW中传输的MSPP模式。更重要的是,模式3在正向和反向传输方向上对应的频带有显著的不同,如图7.26(a)所示,正向波为1.16~1.28 THz,而反向波为1.16~1.20 THz。由于模式3的反向波具有极低的群速度(色散关系曲线很平,斜率接近于0),能量几乎局域在入射端口处而不向前传播。因此在195 K的温度和1 T磁场下,MMSPW在1.20~1.28 THz可以实现单向传输功能。如图7.26(b)所示,外磁场变为1.2 T时,器件隔离频带变为1.08~1.21 THz。根据式(7.7)~式(7.9),InSb的介电张量随温度和外磁场强烈变化,因此在不同外磁场和温度下,MMSPW的光子带隙结构发生移动,单向传输MSPP模式对应的频带位置和带宽发生变化,器件可以实现宽带可调谐功能。