非对称TMP耦合实现非互易性传输

2018-11-28孙雯

天津科技 2018年11期

孙雯

（中国电子科技集团公司第四十六研究所天津300200）

1 实验过程与讨论

非互易性共振峰可以通过调整入射角度、金属层厚度和周期数连续地调节。这里我们首先固定图 1中的结构参数 dD′ = 1.42dD，来研究共振峰波长随入射角度的变化。通过计算得到的透射谱T（θ,λ）画出共振峰的位置的轨迹图（并不是所有峰值都达到 1），结果如图1所示。显然共振峰波长与入射角呈一一对应的关系。对于+θ和-θ，共振峰的波长都随着入射角的增加逐渐减小。为了更好地显示获得的结果，画出其波长差λ（-θ）-λ（+θ）随入射角变化图。该值λ（-θ）-λ（+θ）表明了非互易性的强度，其在 0～40°的范围内大致呈线性关系，在 50°之后基本保持不变。这些结果使得我们可以通过控制入射角来调节非互易性传输。

图1 双峰波长随入射角的变化Fig.1 The change of bimodal wavelength with incident angle

由于非互易性传输波长与入射角有着一一对应的关系，非互易通道对于每一个固定的波长也可以是空分的（入射方向）。据此，画出对应于不同入射角的波长通道和对应于不同波长的空分通道的消光比，结果如图2所示。对于每一个入射角，都有1对正的最大值和负的最大值，表示 2个方向相反的波长通道。同样的，对于每一个入射波长，都有 1对正的最大值和负的最大值，表示 2个方向相反的空间通道。图中所有峰值都接近 1或-1，表明这些非互易性通道有着良好的性能。

图2 不同入射角对应的波长通道的消光比Fig.2 The extinction ratio of wavelength channel corresponding to different incident angles

接下来，我们研究透射峰随金属层厚度的变化关系。除了金属层，其他的结构参数均与图 2中的一样，dD′ = 1.42dD，入射角为±θ=45°。透射峰随金属层厚度的变化如图3所示。2个方向对应的透射峰波长都随着金属层厚度的增加而减小，但是它们的波长差基本不变。

此外，我们还考虑了周期数对传输的影响。周期数的增加会使非互易性透射峰变窄，但是位置基本不变。

图3 双峰波长随金属层厚度的变化Fig.3 The bimodal wavelength varies with the thickness of the metal layer

为了直接显示和证明非互易性共振隧穿效应，我们使用有限元分析软件 COMSOL Multiphysics来模拟电磁波在此结构中的传播。根据图中的结构参数和相同的入射角，画出入射光的磁场外平面分量的分布图，如图 4所示。在+θ时的 A+，光没有反射地完全通过此结构。在金属和 MPC的界面上可以看到强烈的磁场的增强；而对于-θ时的 A+，光几乎全部反射，因此在右边的空气区域中出现明显的干涉图案。对于±θ时的另一个峰 A-，也画出了模拟图。这些场分布图跟之前的结论很好地吻合，说明了结果的正确性。

图4 波长A+和A-的入射光对应的磁场分布图仿真图Fig.4 Simulation diagram of magnetic field distribution corresponding to incident light of wavelength A+and A-

在实际应用中，我们必须考虑金属损耗的影响。根据图1的结构参数 dD′ = 1.42dD和入射角±θ=45°，画出γ= 1.45×1 013s-1下不同周期数 n对应的透射谱，如图5所示。可以发现，对于2个相反方向，仍然分别存在相对较小的透射峰。峰的位置基本不随 n变化。周期数越小，峰值越小。然而，透射峰的宽度随着周期数的减小而增大，从而导致消光比的减小。图 6画出了 n＝7和n＝11时的消光比。对于 n＝7，最大消光比为 0.72和-0.7124，分别位于λ= 1 452.7nm 和λ= 1 472.14nm。对于 n＝11，最大消光比为 0.9和-0.915，分别位于λ= 1 452.7nm和λ= 1 469.8nm。因此，周期数大的时候的消光比要比周期数小的时候的消光比大。很明显，此时仍然实现了非互易性传输。

图5 入射光的磁场外平面分量的分布图Fig.5 Distribution of the magnetic field surface components of incident light

2 结论

推导出TM波在外磁场Voigt效应下的磁光材料中传播时的传输矩阵，得到了研究两非对称磁 Tamm等离子体激元（TMP）结构的传输矩阵和透射率、场分布的计算方法，设计了由2个不同MPC中间嵌着一金属层的耦合系统。根据上述方法研究两非对称磁Tamm 等离子体激元的耦合模式的特性，实现了可调的非互易性传输通道。研究结果有望为设计光隔离器和光二极管提供指导。