一阶波导模式与主纳米沟槽中的二阶波导模式的场分布存在交叠，因此可以激发主纳米沟槽中的二阶波导模式，主纳米沟槽中的二阶波导模式进一步向上传播到主纳米沟槽的槽口并激发金属表面的SPPs。金属表面的SPPs主要有三种不同的来源，分别是正入射的紧聚焦高斯光在主纳米沟槽的槽口直接激发的SPPs、主纳米沟槽中的一阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs和主纳米沟槽中的二阶波导模式在主纳米沟槽的槽口激发的SPPs。其中，正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式由于是对称模式，这两种模式所激发的SPPs对于左右两个方向来说振幅相等、相位相同；而主纳米沟槽中的二阶波导模式由于是反对称模式，该模式在金属表面激发的SPPs对于两个方向来说振幅相等、相位相反。因此，在合适的参数下，正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在某一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在同侧激发的SPPs刚好振幅相等、相位相反，二者互相抵消，形成完美消光；与此同时，正入射的紧聚焦高斯光和主纳米沟槽中的一阶波导模式在另一侧所激发的SPPs的总和与二阶波导模式在另一侧激发的SPPs刚好振幅相等、相位相同，二者相干相长，形成高效的SPPs的单向激发。
[0019]具体的合适条件可以通过调整主纳米沟槽的深度匕和附加纳米沟槽的深度h 2来获得。由于主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式具有不同的传播常数，改变主纳米沟槽的深度匕改变主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式之间的相位差，从而控制这两种模式在金属表面所激发的SPPs之间的相位差。由于附加纳米沟槽的深度匕可以控制附加纳米沟槽中一阶波导模式的共振强度，通过改变h2就可以改变该模式所激发的主纳米沟槽中二阶波导模式的强度，控制主纳米沟槽中一阶波导模式和二阶波导模式的相对强度，从而控制这两种模式在金属表面所激发的SPPs之间的相对振幅。同时调整主纳米沟槽的深度匕和附加纳米沟槽的深度h 2就可以使SPPs的单向激发的相位和振幅条件同时得到满足，从而获得高效的SPPs的单向激发。
[0020]由于非对称纳米沟槽结构在正入射紧聚焦高斯光的直接照射下激发SPPs，属于反射型激发，相比于透射型激发SPPs的纳米狭缝结构，可以给出更高的SPPs激发效率。对于腰宽480nm的正入射的紧聚焦高斯光，最多有30%的入射光能量可以被非对称纳米沟槽结构转变为单向激发的SPPs的能量，考虑到非对称纳米沟槽结构的横向尺寸只有几百纳米，这一绝对能量转化效率已经相当出色。
[0021]对于SPPs的单向激发器来说，除了 SPPs的激发效率和消光比之外，工作带宽也是一个非常重要的参数。对于非对称纳米沟槽结构，由于SPPs的单向激发是通过不同波导模式所激发的SPPs之间的干涉所实现，因此其工作带宽主要取决于不同波导模式之间的相位差对于波长的改变是否敏感。主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度越浅，波导模式传播所经历的相移越小，相应的，在波长发生改变时，波导模式的传播相移改变量也越小，工作带宽就越大。因此，在不同的SPPs的单向激发条件中，选择主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度最浅的一组参数，就可以获得最大的工作带宽，消光比大于10的带宽可以达到220nm。较浅的沟槽深度在实验中也更为易于加工。同时，在这一波长范围内，SPPs向其单向激发方向上的绝对激发效率保持在大于15%的高数值，而SPPs的单向激发器的横向尺寸只有几百纳米。即在亚波长的超小器件尺寸下同时实现了高激发效率、高消光比和超宽工作带宽，可以极大的方便该器件的实际应用。
[0022]本发明的优点:
[0023]本发明采用在金属薄膜的表面设置非对称纳米沟槽结构，通过操控结构中主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度调控所激发SPPs的相对振幅和相位差，实现了 SPPs的单向激发。而且通过选择最小的主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度，使纳米沟槽内不同模式之间的干涉效应变得对波长的依赖不敏感，从而实现了带宽达到220nm的宽带SPPs的单向激发器。本发明的SPPs的单向激发器同时还具有高SPPs激发效率和高消光比等高性能，和几百纳米的超小尺寸，有利于高度集成，因此在超高集成度SPPs光子回路中将获得广泛应用。
【附图说明】
[0024]图1为本发明的基于非对称纳米沟槽结构的宽带表面等离激元单向激发器的示意图，其中，(a)为模式的示意图，(b)为传播的示意图；
[0025]图2为本发明的非对称纳米沟槽结构向左右两边激发的SPPs强度和消光比随主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度匕和^的变化图，其中，(a)为向左激发的SPPs强度随hi和h2的变化图，(b)为向右激发的SPPs强度随h h 2的变化图，(c)为对应的消光比随h I和匕的变化图；
[0026]图3为本发明的非对称纳米沟槽结构在典型深度下所散射的磁场强度的分布图，其中，(a)为hjP h 2分别为79nm和52nm时磁场强度的分布图，(b)为h jP h 2分别为220nm和260nm时磁场强度的分布图；
[0027]图4为本发明的非对称纳米沟槽结构在金属表面所激发的SPPs的三种主要不同来源的原理图，其中，(a)为三种主要SPPs来源的示意图，(b)为不同来源的SPPs的振幅和相位的矢量图；
[0028]图5为本发明的基于非对称纳米沟槽结构的宽带表面等离激元单向激发器在纳米沟槽深度4和h 2分别为79nm和52nm时，(a)向左和向右激发的SPPs的强度随入射光波长变化的曲线图，(b)消光比随波长变化的曲线图；
[0029]图6(a)为本发明的基于非对称纳米沟槽结构的宽带表面等离激元单向激发器在一个实验中的结构的扫描电镜图，(b)为非对称纳米沟槽结构放大的扫描电镜图(C)为实验中在不同入射波长下测得的向左和向右激发的SPPs的消光比。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
[0031]如图1所示，本实施例的基于非对称纳米沟槽结构的宽带表面等离激元单向激发器包括:金属薄膜；在金属薄膜的表面设置有宽的主纳米沟槽；在主纳米沟槽的底部右侧设置有窄的附加纳米沟槽，形成非对称纳米沟槽结构。主纳米沟槽和附加纳米沟槽的宽度分别为wjP w 2，深度分别为匕和h 2。λ为入射波长，0.4 λ?0.9 λ之间，以保证在入射波长下主纳米沟槽中只有一阶波导模式1st和二阶波导模式2nd是传播模式;w2在0.05 λ?0.3 λ之间，以保证在入射波长下附加纳米沟槽中只有一阶波导模式I’ st是传播模式。
[0032]金属薄膜采用金薄膜。采用有限元软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟，模拟中的金的介电常数随波长的变化关系引自文献，并且用插值法展开。首先计算入射波长为λ = 800nm下的SPPs激发性质。作为一个典型的例子，将主纳米沟槽的宽度W1固定在550nm(?0.7λ)，将附加纳米沟槽的宽度％固定在200nm(?0.25 λ )。图2 (a)和图2(b)分别显示了有限元法计算模拟的非对称纳米沟槽结构向左和向右激发的SPPs强度随主纳米沟槽和附加纳米沟槽的深度hjP 112的变化，这里，向某个方向激发的SPPs强度定义为向该方向传播的SPPs能流除以