非對(duì)稱TMP耦合實(shí)現(xiàn)非互易性傳輸

孫 雯

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300200）

1 實(shí)驗(yàn)過程與討論

非互易性共振峰可以通過調(diào)整入射角度、金屬層厚度和周期數(shù)連續(xù)地調(diào)節(jié)。這里我們首先固定圖 1中的結(jié)構(gòu)參數(shù) dD′ = 1.42dD，來研究共振峰波長隨入射角度的變化。通過計(jì)算得到的透射譜T（θ,λ）畫出共振峰的位置的軌跡圖（并不是所有峰值都達(dá)到 1），結(jié)果如圖1所示。顯然共振峰波長與入射角呈一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。對(duì)于+θ和-θ，共振峰的波長都隨著入射角的增加逐漸減小。為了更好地顯示獲得的結(jié)果，畫出其波長差λ（-θ）-λ（+θ）隨入射角變化圖。該值λ（-θ）-λ（+θ）表明了非互易性的強(qiáng)度，其在 0～40°的范圍內(nèi)大致呈線性關(guān)系，在 50°之后基本保持不變。這些結(jié)果使得我們可以通過控制入射角來調(diào)節(jié)非互易性傳輸。

圖1 雙峰波長隨入射角的變化Fig.1 The change of bimodal wavelength with incident angle

由于非互易性傳輸波長與入射角有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，非互易通道對(duì)于每一個(gè)固定的波長也可以是空分的（入射方向）。據(jù)此，畫出對(duì)應(yīng)于不同入射角的波長通道和對(duì)應(yīng)于不同波長的空分通道的消光比，結(jié)果如圖2所示。對(duì)于每一個(gè)入射角，都有1對(duì)正的最大值和負(fù)的最大值，表示 2個(gè)方向相反的波長通道。同樣的，對(duì)于每一個(gè)入射波長，都有 1對(duì)正的最大值和負(fù)的最大值，表示 2個(gè)方向相反的空間通道。圖中所有峰值都接近 1或-1，表明這些非互易性通道有著良好的性能。

圖2 不同入射角對(duì)應(yīng)的波長通道的消光比Fig.2 The extinction ratio of wavelength channel corresponding to different incident angles

接下來，我們研究透射峰隨金屬層厚度的變化關(guān)系。除了金屬層，其他的結(jié)構(gòu)參數(shù)均與圖 2中的一樣，dD′ = 1.42dD，入射角為±θ=45°。透射峰隨金屬層厚度的變化如圖3所示。2個(gè)方向?qū)?yīng)的透射峰波長都隨著金屬層厚度的增加而減小，但是它們的波長差基本不變。

此外，我們還考慮了周期數(shù)對(duì)傳輸?shù)挠绊?。周期?shù)的增加會(huì)使非互易性透射峰變窄，但是位置基本不變。

圖3 雙峰波長隨金屬層厚度的變化Fig.3 The bimodal wavelength varies with the thickness of the metal layer

為了直接顯示和證明非互易性共振隧穿效應(yīng)，我們使用有限元分析軟件 COMSOL Multiphysics來模擬電磁波在此結(jié)構(gòu)中的傳播。根據(jù)圖中的結(jié)構(gòu)參數(shù)和相同的入射角，畫出入射光的磁場(chǎng)外平面分量的分布圖，如圖 4所示。在+θ時(shí)的 A+，光沒有反射地完全通過此結(jié)構(gòu)。在金屬和 MPC的界面上可以看到強(qiáng)烈的磁場(chǎng)的增強(qiáng)；而對(duì)于-θ時(shí)的 A+，光幾乎全部反射，因此在右邊的空氣區(qū)域中出現(xiàn)明顯的干涉圖案。對(duì)于±θ時(shí)的另一個(gè)峰 A-，也畫出了模擬圖。這些場(chǎng)分布圖跟之前的結(jié)論很好地吻合，說明了結(jié)果的正確性。

圖4 波長A+和A-的入射光對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)分布圖仿真圖Fig.4 Simulation diagram of magnetic field distribution corresponding to incident light of wavelength A+and A-

在實(shí)際應(yīng)用中，我們必須考慮金屬損耗的影響。根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)參數(shù) dD′ = 1.42dD和入射角±θ=45°，畫出γ= 1.45×1 013s-1下不同周期數(shù) n對(duì)應(yīng)的透射譜，如圖5所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，對(duì)于2個(gè)相反方向，仍然分別存在相對(duì)較小的透射峰。峰的位置基本不隨 n變化。周期數(shù)越小，峰值越小。然而，透射峰的寬度隨著周期數(shù)的減小而增大，從而導(dǎo)致消光比的減小。圖 6畫出了 n＝7和n＝11時(shí)的消光比。對(duì)于 n＝7，最大消光比為 0.72和-0.7124，分別位于λ= 1 452.7nm 和λ= 1 472.14nm。對(duì)于 n＝11，最大消光比為 0.9和-0.915，分別位于λ= 1 452.7nm和λ= 1 469.8nm。因此，周期數(shù)大的時(shí)候的消光比要比周期數(shù)小的時(shí)候的消光比大。很明顯，此時(shí)仍然實(shí)現(xiàn)了非互易性傳輸。

圖5 入射光的磁場(chǎng)外平面分量的分布圖Fig.5 Distribution of the magnetic field surface components of incident light

2 結(jié) 論

推導(dǎo)出TM波在外磁場(chǎng)Voigt效應(yīng)下的磁光材料中傳播時(shí)的傳輸矩陣，得到了研究兩非對(duì)稱磁 Tamm等離子體激元（TMP）結(jié)構(gòu)的傳輸矩陣和透射率、場(chǎng)分布的計(jì)算方法，設(shè)計(jì)了由2個(gè)不同MPC中間嵌著一金屬層的耦合系統(tǒng)。根據(jù)上述方法研究兩非對(duì)稱磁Tamm 等離子體激元的耦合模式的特性，實(shí)現(xiàn)了可調(diào)的非互易性傳輸通道。研究結(jié)果有望為設(shè)計(jì)光隔離器和光二極管提供指導(dǎo)。

圖6 γ= 1.45 ×1 01 3s -1時(shí)的透射譜與消光比Fig.6 Projection spectrum to extinction ratio of γ=1.45 ×1 01 3 s-1