具有深亚波长局域性的全介质蝴蝶结波导

    在纳米光子学领域，在亚波长量级控制和操纵光场是一件至关重要的事情。将光场局域在亚波长量级具有非常广泛的应用，例如可用于光学传感和光学转换[1-3]、高密度的光学集成电路[4]、高速度和高灵敏度的光学器件[5]、电光调制器[6]、小型激光器[7]、以及偏振控制器[8]，等等。表面等离子体波导能够突破光的衍射极限、提供深亚波长的模式局域性，基于此，表面等离子体波导被看成是可用于大规模光学集成电路最具潜力的候选者之一。然而，由于金属的存在，受金属欧姆损耗[9, 10]的影响，基于表面等离子体的波导结构的损耗也比较大，尽管研究者试图通过各种方法来减小这种损耗，例如设计混合表面等离子体波导、使用超材料[11, 12]和超表面[13]等等，但是表面等离子体波导结构中的损耗依然是一个不可忽略的因素。传统的介质波导，例如光子晶体，虽然损耗比较低，但是它们会受到光的衍射极限的影响。在单个波导结构中同时实现深亚波长的模式局域性和超低损耗的传输依然具有极大的挑战性。 

    中国科技大学的岳文成、姚培军和明海等提出了一种全介质蝴蝶结波导结构[14]。与传统的介质波导（传统的介质波导的导光机理是光的全内反射）不同，全介质蝴蝶结波导的导光机理是电磁场的正交边界条件。通过交替地利用电位移在垂直方向上和电场在切向方向上的两个边界条件，全介质蝴蝶结波导可以将光局域在纳米量级的间隙中传播，从而可以实现与表面等离子体波导同等程度的深亚波长的模式局域性。而且，基于全介质的蝴蝶结波导由于不包含金属成分，损耗极低，可以实现与传统介质波导同等数量级的超长距离的传输。全介质蝴蝶结波导可以同时得到与表面等离子体波导同等程度的深亚波长的模式局域性和与传统介质波导同等数量级的超长距离的传输，这在本质上实现了突破，大大推动了集成光学的发展。

图1 (a-d)不同波导的结构（上）、归一化电磁场能量密度以及电矢量（下）的分布情况，其中槽和反槽是被轮流引入的。湖蓝色矩形区域的宽度和高度分别为300纳米和150纳米，从(a)到(d)槽或反槽的宽度依次为65纳米、50纳米、30纳米、15纳米。(e)全介质蝴蝶结波导的结构示意图，原点位于波导结构的中心。

图2 (a) 归一化模式面积随着g的变化关系，(b-e) x = 0时，电磁场的能量密度分布，对应g的取值依次为2纳米、4纳米、10纳米、25纳米，图中的湖蓝色区域代表两个硅楔子区，(f) y = 0时，在不同的g处电磁场的能量密度分布，其中的插图给出了模式的半高全宽。图(b-f)中对应h和α的取值为h = 200纳米, α= 100°。 

References

1.  K. Nozaki, T. Tanabe, A. Shinya, et al., Sub-femtojoule all-optical switching using a photonic-crystal nanocavity, Nat. Photon. 4, 477 (2010)

2.  F. DellOlio and V. M. Passaro, Optical sensing by optimized silicon slot waveguides, Opt. Express 15, 4977 (2007)

3.  T. Tanabe, M. Notomi, S. Mitsugi, et al., All-optical switches on a silicon chip realized using photonic crystal nanocavities, Appl. Phys. Lett. 87, 151112 (2005).

4.  T. W. Ebbesen, C. Genet, and S. I. Bozhevolnyi, Surface-plasmon circuitry, Phys. Today 61, 44 (2008)

5. D. F. Pile and D. K. Gramotnev, Channel plasmon-polariton in a triangular groove on a metal surface, Opt. Lett. 29, 1069 (2004)

6.  V. J. Sorger, N. D. Lanzillotti-Kimura, R.-M. Ma, et al., Ultra-compact silicon nanophotonic modulator with broadband response, Nanophoton. 1, 17 (2012).

7.  R. F. Oulton, V. J. Sorger, T. Zentgraf, et al., Plasmon lasers at deep subwavelength scale, Nature 461, 629 (2009)

8.  J. N. Caspers, J. S. Aitchison, and M. Mojahedi, Experimental demonstration of an integrated hybrid plasmonic polarization rotator, Opt. Lett. 38, 4054 (2013)

9.  J. B. Khurgin, How to deal with the loss in plasmonics and metamaterials, Nat. Nanotech. 10, 2 (2015)

10.  R. Zia, M. D. Selker, P. B. Catrysse, et al., Geometries and materials for subwavelength surface plasmon modes, J. Soc. Am. A 21, 2442 (2004)

11.  P. Moitra, Y. Yang, Z. Anderson, et al., Realization of an all-dielectric zero-index optical metamaterial, Nat. Photon. 7, 791 (2013)

12.  A. Boltasseva and H. A. Atwater, Low-loss plasmonic metamaterials, Science 331, 2901 (2011)

13. D. Lin, P. Fan, E. Hasman, et al., Dielectric gradient metasurface optical elements, Science 345, 298 (2014)

14. W. C. Yue, P. J. Yao, L. X. Xu, and H. Ming, All-dielectric bowtie waveguide with deep subwavelength mode confinement, Front. Phys. 13(4), 134207 (2018)

文献链接：Wen-Cheng Yue, Pei-Jun Yao, Li-Xin Xu, and Hai Ming, All-dielectric bowtie waveguide with deep subwavelength mode confinement, Front. Phys. 13(4), 134207 (2018)