调控横向尺寸的超低损耗表面等离子波导

"本文探讨了利用结构色散在有限波导中诱导的有效表面等离子体极化子（ESPPs），并研究了通过调整各层的横向尺寸来调谐ESPPs色散的方法，以降低损耗并提升性能。" 在光学领域，表面等离子体极化子（SPPs）因其在亚波长尺度下的强场约束和增强特性，被视为光电子集成电路中的理想信息载体。自2004年以来，研究人员已经进行了一系列工作，以操纵纳米尺度上的光物质相互作用[1-8]。然而，金属在光学频率下的大损耗问题一直是阻碍等离子体器件发展的一大难题。Pendry在2004年提出了“模拟SPPs”的概念，通过在金属表面制造周期性的亚波长沟槽或孔洞，来任意降低金属的有效等离子体频率，使得在更低频率（如太赫兹和微波）下实现类似SPPs的表面波成为可能[9-11]。 2012年，Garcia-Vidal等人理论上证明了在纹理化的封闭金属表面上可以产生模拟局部表面等离子体（模拟LSPs）[12]。由于低频率下金属的损耗可忽略不计，因此，越来越多的研究致力于将模拟SPPs和LSPs应用于实际场景[13-31]。尽管如此，这些表面模式在某些情况下仍无法有效运作，尤其是在多层系统中，当每一层的横向尺寸相同时，ESPPs的色散只能通过各层的介电常数来调节，这往往导致不可避免的损耗增加。 最近的理论和实验工作表明，对于双层和多层系统，由结构色散产生的有效表面等离子体极化子是光学SPPs的理想低频对应物[32-35]。然而，这些研究中通常假设每一层的横向尺寸相同，ESPPs的色散仅通过各层的介电常数来调变。这意味着，尽管可以通过改变介电材料的性质来调整传播特性，但金属和介质层的损耗仍然是限制性能的关键因素。 为了克服这一挑战，本文提出了一种新的方法，即通过调整每个层的横向尺寸来调谐ESPPs的色散，而非仅仅依赖于介电常数的变化。这种方法有望显著降低损耗，从而提高波导的传输效率和稳定性。通过对结构设计的优化，可以实现更宽的带宽、更小的模式体积以及更高效的能量传输，这对于开发新型的低损耗光子集成平台具有重要意义。 此外，通过改变各层的宽度，可以改变ESPPs的传播特性，例如改变其传播速度和模式分布，这为设计具有特定功能的新型光子器件提供了可能。这种灵活性在光通信、光传感器和量子信息技术等领域具有广阔的应用前景。 通过调整层状结构的横向尺寸来调谐ESPPs的色散，为解决等离子体光子学中的损耗问题提供了一条新途径，有望推动光子集成技术的进步，并促进新型高性能光电子设备的开发。未来的实验验证和实际应用将进一步证实这一理论的潜力。