非對稱TMP耦合實現非互易性傳輸

孫 雯

（中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300200）

1 實驗過程與討論

非互易性共振峰可以通過調整入射角度、金屬層厚度和周期數連續地調節。這里我們首先固定圖 1中的結構參數 dD′ = 1.42dD，來研究共振峰波長隨入射角度的變化。通過計算得到的透射譜T（θ,λ）畫出共振峰的位置的軌跡圖（并不是所有峰值都達到 1），結果如圖1所示。顯然共振峰波長與入射角呈一一對應的關系。對于+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度，其在 0～40°的范圍內大致呈線性關系，在 50°之后基本保持不變。這些結果使得我們可以通過控制入射角來調節非互易性傳輸。

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應的關系，非互易通道對于每一個固定的波長也可以是空分的（入射方向）。據此，畫出對應于不同入射角的波長通道和對應于不同波長的空分通道的消光比，結果如圖2所示。對于每一個入射角，都有1對正的最大值和負的最大值，表示 2個方向相反的波長通道。同樣的，對于每一個入射波長，都有 1對正的最大值和負的最大值，表示 2個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 不同入射角對應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系。除了金屬層，其他的結構參數均與圖 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個方向對應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對傳輸的影響。周期數的增加會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，我們使用有限元分析軟件 COMSOL Multiphysics來模擬電磁波在此結構中的傳播。根據圖中的結構參數和相同的入射角，畫出入射光的磁場外平面分量的分布圖，如圖 4所示。在+θ時的 A+，光沒有反射地完全通過此結構。在金屬和 MPC的界面上可以看到強烈的磁場的增強；而對于-θ時的 A+，光幾乎全部反射，因此在右邊的空氣區域中出現明顯的干涉圖案。對于±θ時的另一個峰 A-，也畫出了模擬圖。這些場分布圖跟之前的結論很好地吻合，說明了結果的正確性。

圖4 波長A+和A-的入射光對應的磁場分布圖仿真圖Fig.4 Simulation diagram of magnetic field distribution corresponding to incident light of wavelength A+and A-

在實際應用中，我們必須考慮金屬損耗的影響。根據圖1的結構參數 dD′ = 1.42dD和入射角±θ=45°，畫出γ= 1.45×1 013s-1下不同周期數 n對應的透射譜，如圖5所示。可以發現，對于2個相反方向，仍然分別存在相對較小的透射峰。峰的位置基本不隨 n變化。周期數越小，峰值越小。然而，透射峰的寬度隨著周期數的減小而增大，從而導致消光比的減小。圖 6畫出了 n＝7和n＝11時的消光比。對于 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，周期數大的時候的消光比要比周期數小的時候的消光比大。很明顯，此時仍然實現了非互易性傳輸。

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

2 結 論

推導出TM波在外磁場Voigt效應下的磁光材料中傳播時的傳輸矩陣，得到了研究兩非對稱磁 Tamm等離子體激元（TMP）結構的傳輸矩陣和透射率、場分布的計算方法，設計了由2個不同MPC中間嵌著一金屬層的耦合系統。根據上述方法研究兩非對稱磁Tamm 等離子體激元的耦合模式的特性，實現了可調的非互易性傳輸通道。研究結果有望為設計光隔離器和光二極管提供指導。

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