金属-磁光表面等离子体透镜的非互易传输与调控

MMOPL功能的实现是建立在MIMOM波导传输性质的基础上的。它具有两个基本的功能：一是对THz波的聚焦,这与普通THz透镜类似;二是对THz波单向隔离传输,这是它不同于普通THz透镜的特征。因此下面将重点讨论器件的单向传输特性。

利用FEM方法模拟器件在185 K时不同外磁场下的正向与反向功率透射光谱,结果如图7.33所示,对应的隔离度谱线如图7.34所示。如图7.33(a)所示,在未施加外磁场时,器件的正反向透射光谱线相同,并在1.42~1.55 THz内具有极低的透过率,对应着图7.32(a)所示的SPP波光子带隙区域。这里还使用金属代替MIMOM结构中的InSb形成普通的表面等离子透镜,构成MIM结构计算其透射光谱作为对比,结果没有观察到任何明显的SPP光子带隙或透射峰。当施加外磁场时,器件的正反向透射光谱线就变得不同,这里以B=0.5 T为例说明,透射光谱线与图7.32(c)所示色散关系曲线很好地吻合：对于正向波,它在1.1~1.45 THz内具有很高的透过率(能流密度大于3 W/m2);而反向波却在这一频段具有极低的透过率(能流密度小于10-10 W/m2)。因此这一频段即为图7.34所示的隔离频段,器件获得的30 dB隔离度带宽超过300 GHz,且在1.24 THz处具有高达110 dB的最大隔离度。在隔离频段外,正反向透过率都与B=0 T时的结果相近。因此,该THz隔离器在185 K、0.5 T下在1.1~1.45 THz实现了高性能的单向隔离传输。

图7.33　185 K时,不同外磁场下MMOPL的能流密度[14]

(a)正向透过;(b)反向透过

图7.34　185 K时,不同外磁场下MMOPL的隔离度谱线[14]

随着外磁场的增大,正向波的通带向低频移动,且最大透过率增大;而反向波的禁带也向相同的低频移动,且带宽变宽。相应地,图7.34所示的隔离度谱线的谱峰也向低频移动,且隔离度带宽增大。当外磁场继续进一步增大(B＞0.7 T)时,隔离度谱线的峰值迅速下降。其原因是InSb的回旋频率ωc随着磁场增大逐渐增大而远离工作的THz频段,InSb的旋电性也随之减弱,从而使器件的非互易效应减弱。可见,外磁场从0增大到0.9 T的过程中,该隔离器的中心工作频率可以大范围地从1.5 THz移动到1 THz,实现宽带调控功能。

下面进一步讨论外磁场和温度对器件的调控。图7.35(a)显示了三个不同频率点下185 K时器件隔离度随外磁场的变化曲线,随着磁场增加每个频率下的隔离度都会达到一个峰值,然后随磁场继续增加而下降。对于更低的工作频率,反而需要一个更高的外磁场才能达到隔离度峰值。图7.35(b)显示了三个不同频率点下0.5 T时器件隔离度随温度的变化曲线。根据图7.3(c)和图7.3(d)可知,MSPP在150~210 K内可由一较小的外磁场产生。当温度接近室温时,就需要一个极大的外磁场。温度越低,工作频率下器件达到最大隔离度所需施加的外磁场就越小。因此,外磁场和温度都强烈地影响着MMOPL的单向传输特性,器件的工作频段可以通过外磁场和温度进行灵活的调控。

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图7.35　

(a)185 K时,不同频率下器件隔离度随磁场的变化;(b)0.5 T时,不同频率下器件隔离度随温度的变化[14]

最后来关注器件对正向波的传输和聚焦能力。图7.36所示的正反向稳态场分布显示了器件在0.5 T、185 K下对1.25 THz频率THz波实现了单向传输,且正向THz波被聚焦在距器件后表面1 mm处。在器件隔离频段外,MMOPL与普通金属表面等离子体所具有的透射和聚焦能力是相同的,而在隔离频段内却有很大的不同,图7.37显示了这种区别。在图中所示的所有情况中,只有“0.5 T、185 K、1.25 THz”这种情况下是具有单向传输特性的,其余九种情况均不具有单向传输特性,它们要么没有InSb材料,要么是没有外磁场或磁场过大,要么是温度过高,或者是工作频率在隔离频段外。具有单向传输特性时的透过率明显远远高于不具有单向传输能力的情况,原因在于在MMOPL中传输的能量都不能耦合为反向传输模式,因为反向传输是禁止的,所有进入波导的能量除了材料损耗外都要以正向波的形式从MMOPL中出射。在这一过程中,具有非互易性的MSPP被不断增强[图7.36(d)所示的逆过程],在出射端口处很强的MSPP被耦合到自由空间中并发生增强的光学异常透射效应。由于在非互易传输过程中MSPP磁光增强效应对光学异常透射的贡献,导致MSPP光学异常透射效应强于普通互易传输的SPP波的光学异常透射效应,这使得MMOPL的非互易传输透过率大大高于普通金属或半导体的表面等离子体狭缝阵列的传输透过率。

图7.36　

(a,b)在0.5 T、185 K、1.25 THz下,MMOPL的正向波和反向波能流密度场分布;(c,d)MMOPL中单个波导单元正向波和反向波分布;(e)普通表面等离子体透镜结构的能流密度场分布[14]

图7.37　不同外磁场和温度下器件焦点处正向波的能流密度沿x方向的空间分布[14]

(a)1.25 THz频率下的分布;(b)0.8 THz频率下的分布

本节采用“金属-空气-磁光介质-金属”波导阵列这一特殊的非对称结构设计了具有非互易传输特性的金属-磁光表面等离子体透镜,它不仅具有聚焦特性,还实现了THz隔离器的功能,可实现1.1~1.45 THz高达110 dB隔离度的单向隔离传输,并且这一隔离频带可以通过外磁场或温度加以调控。研究发现,当器件实现单向传输时正向波能量透过率大大超过了未实现单向传输时该器件的能量透过率,并将这一现象初步解释为磁表面等离子体波传输中由于满足相位匹配条件使得光学异常透射得到了增强。