2014年-- 應(yīng)用物理外文翻譯-- 結(jié)合雙曲超材料的可見(jiàn)光頻率的非對(duì)稱傳輸設(shè)備（譯文）

1、<p><b>　　中文8200字</b></p><p>　　出處：Xu T, Lezec H J. Visible-frequency asymmetric transmission devices incorporating a hyperbolic metamaterial.[J]. Nature Communications, 2014, 5.</p>&l

2、t;p>　　結(jié)合雙曲超材料的可見(jiàn)光頻率的非對(duì)稱傳輸設(shè)備</p><p>　　文章在2014年四月2號(hào)被接收到，在2014年五月16號(hào)被通過(guò)，在2014年六月17號(hào)被發(fā)表。</p><p>　　Ting Xu1, & Henri J. Lezec</p><p><b>　　正文：</b></p><p>　

3、　不對(duì)稱電磁傳輸最近已被證明使用洛侖茲互易器件，這個(gè)方法開(kāi)拓了各種圖案結(jié)構(gòu)的線性材料去打破空間反演對(duì)稱性。然而，到目前為止，納米加工的挑戰(zhàn)已經(jīng)在可見(jiàn)光的頻率用高度不對(duì)稱的回應(yīng)排除了被動(dòng)傳輸結(jié)構(gòu)的制造。在這里，我們表明，可見(jiàn)光的高對(duì)比度的非對(duì)稱傳輸可以由一個(gè)有波長(zhǎng)范圍的厚度的平面器件結(jié)合一對(duì)非對(duì)稱的亞波長(zhǎng)光柵和一個(gè)被動(dòng)的雙曲超材料工程來(lái)提供，從而可以展示出傳輸窗口集中在一個(gè)橫向空間頻率大大超過(guò)衍射極限的地方。制備的器件被設(shè)計(jì)用于分別工作在

4、532和633 nm的中心波長(zhǎng)，用于顯示寬帶中心波長(zhǎng)，用于高效不對(duì)稱的對(duì)比度超過(guò)14分貝的光纖傳輸。由于其平面結(jié)構(gòu)，占地面積小和被動(dòng)操作，這種相互的傳輸方法保證了工作在可見(jiàn)光波段內(nèi)的緊湊的光學(xué)系統(tǒng)的整合。</p><p>　　不對(duì)稱傳輸利用了雙向電磁設(shè)備，最近已經(jīng)成為一個(gè)蓬勃發(fā)展的研究課題。由于用于通信與信息處理1–12的光子集成系統(tǒng)的潛在的應(yīng)用，例如，定向敏感光束分裂2,3，多路傳輸中的4，和光學(xué)相互連接器7,

5、8。這個(gè)洛侖茲互易效應(yīng)表現(xiàn)在具有高對(duì)比度之間的正向和反向的傳輸中，而且在透射光照下從反方向平行的方向進(jìn)入的情況下。雖然相互不對(duì)稱傳輸設(shè)備無(wú)法用于只能用非互相活躍設(shè)備達(dá)到的函數(shù)，如光學(xué)隔離器13–16，但是他們有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如占地面積小，廣泛的不對(duì)稱傳輸帶寬，和被動(dòng)操作。不對(duì)稱傳輸可以通過(guò)人工結(jié)構(gòu)的使用來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，非對(duì)稱光柵2–6,11,12，光子晶體7,8，和裂環(huán)諧振器1,9,10，它打破了空間反演對(duì)稱性。然而，制造和調(diào)整的挑戰(zhàn)和

6、這種方法內(nèi)在的復(fù)雜性聯(lián)系在一起，使得到目前為止還不能使具有高效不對(duì)稱傳輸?shù)幕貞?yīng)在可見(jiàn)光頻率的結(jié)構(gòu)成為可能。</p><p>　　雙曲超材料——金屬電介質(zhì)結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)在一個(gè)深亞波長(zhǎng)尺度，運(yùn)行起來(lái)就像一個(gè)均勻的電磁介質(zhì)有高度各向異性，雙曲空間頻率回應(yīng)。雙曲超材料在近幾年17，18，已經(jīng)成為人們感興趣的重大研究課題。這個(gè)材料提供了操縱光傳播的有效方法并產(chǎn)生大量新穎奇特的現(xiàn)象，例如，負(fù)折射19–23，超分辨率成像24–26

7、，增強(qiáng)光吸收27,28和自發(fā)的發(fā)射29,30。在這項(xiàng)工作中，我們利用可見(jiàn)光頻率雙曲超材料來(lái)實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)尺度厚度的平面裝置，它可以執(zhí)行高度不對(duì)稱，橫向的磁場(chǎng)（TM）的寬帶傳輸，偏振的在可見(jiàn)光頻率的光波，在光照條件下，有垂直入射角。這個(gè)被提議的裝置由一個(gè)亞微米厚的雙曲線超材料平板裝飾在兩邊上（分別在“A”和“B”，圖1A）用平行金屬衍射光柵（分別是'光柵A'和</p><p>　　“光柵B”），每一個(gè)都

8、有一個(gè)不同的亞波長(zhǎng)間距。兩種超材料和光柵的空間頻率回應(yīng)是這樣設(shè)計(jì)的，當(dāng)裝置的A面被垂直入射的光照射時(shí)，光從A面的自由空間傳輸?shù)紹面的自由空間，當(dāng)裝置的B面被垂直入射的光照射時(shí)，光卻不能傳播到自由空間A面。在一個(gè)給定的頻率（對(duì)應(yīng)于自由空間波長(zhǎng)和波矢）當(dāng)照射在A面時(shí)，通過(guò)超材料的傳播被一對(duì)斜的，橫向反傳播模式調(diào)停，它的切空間頻率為±KX（平行于超材料表面和垂直于光柵間距）在數(shù)量級(jí)上大幅度的大于K0。這些模式連接了在A面上的垂直入射

9、光和通過(guò)了光柵A和B的作用之后的傾斜的出射光。相反，在B面的垂直的入射光線</p><p>　　耦合到一對(duì)非傳播的消失模，它位于雙曲超材料內(nèi)的切向波矢能帶隙中，</p><p>　　從而作為一個(gè)零階傳輸障礙。</p><p><b>　　結(jié)果：</b></p><p>　　基于雙曲超材料的窄帶空間濾波器。</p&g

10、t;<p>　　首先，我們?cè)O(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)平面雙曲超材料，它阻礙了直接從自由空間以任何角度入射到它的表面的光的傳輸，但允許光柵耦合模式的內(nèi)部傳播，它具有空間頻率包含在一個(gè)狹窄能帶值里面，全部都顯著的超過(guò)了自由空間波矢k0的數(shù)量級(jí)。由此產(chǎn)生的超材料是由交替的，薄的銀平面層（30 nm）和二氧化硅（25 nm）。每一個(gè)單獨(dú)的組成層的深亞波長(zhǎng)厚度的選擇，都跟目標(biāo)工作在綠色和紅色的工作波長(zhǎng)有關(guān)，這些選擇使超材料可近似為一個(gè)各向異性

11、的有效的介質(zhì)，這是為了模有一個(gè)高效的垂直于材料層的波長(zhǎng)組成，它與個(gè)別層的厚度相比，是比較小的。在這個(gè)假設(shè)下，超材料的電磁響應(yīng)的的模型被有效磁導(dǎo)率等于自由空間的值，Ueff=1建立，一個(gè)對(duì)角的復(fù)雜的有效介電常數(shù)張量</p><p><b>　　已知和</b></p><p>　　都是各自的復(fù)介電常數(shù)的組成部分，對(duì)于傳播場(chǎng)組成部分垂直和平行于各向異性軸（在這里軸垂直于材料

12、層）。</p><p>　　小字部分： 圖像1 雙曲超材料由相互交替的銀和二氧化硅薄層組成。（a）銀/二氧化硅超材料裝置示意圖。（b）EMT來(lái)源的有效介電常數(shù)和對(duì)于超材料銀的填充比率f=0.54。銀和二氧化硅的折射率分別是refs 36,37。（c）EMT導(dǎo)出該銀/ 二氧化硅超材料的色散關(guān)系，當(dāng)=532 nm,=633 nm,對(duì)于TM波偏振化。陰影區(qū)域代表雙曲超材料的光學(xué)帶隙。</p><p

13、>　　接上：使用有效的介質(zhì)理論（EMT)31,和是（圖1b）為了TM偏振的具體情況計(jì)算的（這里定義為偏振具有平行于該層的平面磁場(chǎng)取向），其中和，其中和分別是銀還有二氧化硅的介電常數(shù)，而f是銀的填充率。讓f=0.54,產(chǎn)生了相反的現(xiàn)象，對(duì)于和貫穿于可見(jiàn)光區(qū)域。然后我們分析在超材料中TM波偏振平面波以任意角度的傳播。選擇一個(gè)笛卡爾直角坐標(biāo)系取向，讓材料層的平面平行于X-Y平面，并讓入射平面波的波矢量位于x-z平面，有效介質(zhì)的色散關(guān)系被

14、一下這個(gè)式子定義：，其中和是復(fù)波矢k的橫向和垂直分量的復(fù)振幅。因?yàn)椴⑶?，介質(zhì)是由雙曲等頻率曲線決定（圖1C）只允許波矢滿足這個(gè)條件的模式傳播。其中代表截止橫向空間頻率。橫向波矢位于帶隙中的模式，在Z方向逐漸衰減。垂直于材料層的衰減長(zhǎng)度是被這個(gè)式子給出發(fā)布在各層的平面均勻相位模式。自由空間波長(zhǎng)=532和633 nm，各自的衰減長(zhǎng)度是l=420和385 nm 表示出一個(gè)對(duì)于超材料的厚度選擇是d=550 nm 對(duì)于實(shí)際上完全阻斷這樣一個(gè)模式是

15、足夠的。圖2a展示了電磁場(chǎng)傳播系數(shù)的數(shù)量級(jí)，，在一個(gè)550 nm厚的超材料堆中有20個(gè)互相交替的銀層（30nm）和二氧化硅（25nm</p><p>　　小字部分：圖像2 | 銀/二氧化硅超材料的非對(duì)稱光學(xué)傳輸?shù)臄?shù)值模擬。(a和b) 用TMM計(jì)算的數(shù)量級(jí)（對(duì)數(shù)標(biāo)度）在電磁場(chǎng)傳輸中的系數(shù)，，是在一個(gè)由10個(gè)獨(dú)立的雙層銀（30nm)和二氧化硅(25nm)組成的超材料層由TM偏振光得來(lái)的。在a圖的中灰色的虛線代表的是光

16、柵矢量（左）和（右）分別對(duì)于裝置１和裝置２。在圖ｂ中的灰色虛線代表的是光柵矢量（左）和（右）分別對(duì)于裝置１和裝置２。對(duì)應(yīng)的光柵間距是和（裝置１），和（裝置２）。綠色和紅色的箭頭闡明了一個(gè)沿著（ａ）Ａ面到Ｂ面和（ｂ）Ｂ面到Ａ面的方向的垂直入射平面波的光柵輔助耦合和傳輸過(guò)程。（ｃ，ｄ）以任意時(shí)間的磁場(chǎng)（線性標(biāo)度）的ｙ－組成部分的ＦＤＴＤ－模擬幅度，對(duì)于裝置１用一個(gè)ＴＭ偏振平面波來(lái)說(shuō)明，＝５３２?。睿韺?duì)（ｃ）Ａ－到－Ｂ和（ｄ）Ｂ－到－Ａ。底部

17、和頂部的光柵的周期分別是２００?。睿砗停玻福啊。睿怼?lt;/p><p>　　接上：當(dāng)取得很大的值時(shí)，垂直的波矢的實(shí)部，也會(huì)很大，（跟雙曲色散是一致的）沿著ｚ方向的有效波長(zhǎng)會(huì)比得上單獨(dú)的銀層或者二氧化硅層厚度。在ｋ空間的以上這一個(gè)觀點(diǎn)，EMT的均質(zhì)超材料近似分解，材料可能需要多層散射器的特性，它在阻斷傳播是有效的因?yàn)槠涿芏雀叩姆稚⒌慕饘俜垂?。金屬電解質(zhì)層的光學(xué)透射率的基本演變可以作為的一個(gè)函數(shù)，包括了傳輸帶的形成，都

18、可以通過(guò)電磁場(chǎng)的的分布的數(shù)值時(shí)域有限差分法（ＦＤＴＤ）模擬來(lái)進(jìn)一步了解（圖１的補(bǔ)充說(shuō)明）。</p><p>　　圖２ａ從而說(shuō)明了在ｋ空間中一個(gè)清楚的傳輸帶的形成，在這里定義取值范圍，，在這之上（和各自表示的是低一點(diǎn)的和高一點(diǎn)的能帶位置）。對(duì)于能帶的性質(zhì)有寬度和中心位置，這兩個(gè)都是自由空間波長(zhǎng)函數(shù)的相關(guān)常數(shù)。例如，和，從ＴＭＭ的計(jì)算結(jié)果中得出各自更低的傳輸帶邊緣值和，這很接近的匹配了那些用ＥＭＴ近似（圖１ｃ）計(jì)算的

19、截止點(diǎn)頻率。對(duì)應(yīng)的更高的傳輸帶邊緣位置可以各自用ＴＭＭ在和這兩個(gè)波長(zhǎng)來(lái)計(jì)算。</p><p>　　通過(guò)光柵耦合超材料的非對(duì)稱傳輸。為了實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱的光學(xué)傳輸，我們開(kāi)發(fā)了超材料可以阻止零階傳播和只傳輸有很大橫向波矢的值的波，而且它們位于一個(gè)狹窄的空間頻率波段里面的能力。雖然超材料本身在任何給定的方向都是雙向互通的維持傳播的，但是自由空間平面波的不對(duì)稱傳播能夠通過(guò)加一個(gè)對(duì)稱破缺的金屬光柵到超材料的表面來(lái)實(shí)現(xiàn)，這會(huì)跟在超

20、材料里面的模式通過(guò)逐漸的進(jìn)場(chǎng)耦合相互作用?？紤]一塊夾在平行光柵A和B（圖2a,b的插圖）的雙曲超材料，平行光柵有各自的間距和和基本的倒格矢大小在各自的數(shù)量級(jí)和中。被選擇為一對(duì)垂直入射光，它進(jìn)入到金屬電解質(zhì)層中變成了傳輸波，它有一個(gè)橫向的波矢，坐落在超材料的傳輸帶里面。然后被選擇為在光柵B產(chǎn)生耦合過(guò)程的值，去同時(shí)滿足兩種情況，這兩種情況是不對(duì)稱傳輸裝置要求的。首先，為了使從A面穿過(guò)超材料到達(dá)B面的出射光發(fā)生耦合，（有切向的波矢），必須滿足

21、這個(gè)條件。第二，為了防止從B面垂直入射光在超材料里面的傳輸，被選為一種在超材料避免耦合的傳播模式，用基本的或者高階相互光柵矢量的方法通過(guò)禁止動(dòng)量的轉(zhuǎn)移來(lái)實(shí)現(xiàn)?？紤]到在超材料中單個(gè)傳輸帶的k空間的位置，這個(gè)能夠通過(guò)同時(shí)滿足約束和來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們注意</p><p>　　我們?cè)O(shè)計(jì)兩個(gè)不對(duì)稱的傳輸裝置，一種是為了操作在（裝置1），另一種是為了操作在（裝置2），兩個(gè)都和一個(gè)550nm厚的銀/二氧化硅雙曲超材料的平板結(jié)合在一起

22、。遵循我們之前已經(jīng)討論過(guò)的耦合規(guī)則，光柵A還有B的間距各自設(shè)為和（裝置1），還有和（裝置2）。從A面到B面的傳輸過(guò)程在圖2a展示出來(lái)，這是對(duì)于兩個(gè)裝置而言的（綠色的箭頭代表進(jìn)去還有出來(lái)耦合的裝置1的情形，紅色的箭頭代表的是在裝置2中對(duì)應(yīng)同樣的過(guò)程）。這里解釋一下目的，我們集中精力在通過(guò)裝置1的傳輸機(jī)制上，當(dāng)A面被以垂直入射入射的波長(zhǎng)是的平面波照射，它跟指定的操作波長(zhǎng)是匹配的。光柵A通過(guò)基本的光柵波矢（被右邊方向的綠色箭頭說(shuō)明）的作用讓入

23、射光在超材料中耦合，這樣會(huì)產(chǎn)生一對(duì)兩個(gè)，傾斜的，對(duì)稱的，橫向的反向傳播模式，它有各自的橫向的波矢的實(shí)部成分，它會(huì)在超材料中的傳輸帶下降，。這兩種模式傳播到超材料的另一面，它們通過(guò)光柵B的基本光柵波矢作用（被左邊方向的綠色箭頭說(shuō)明）進(jìn)行輸出耦合進(jìn)入到自由空間，產(chǎn)生了一對(duì)對(duì)稱的，橫向反向傳播的平面波，它有一個(gè)切向的波矢，對(duì)應(yīng)于相對(duì)于垂直方向的傳播角度（產(chǎn)生了周期是350nm的干涉條紋垂直于裝置的平面）。</p><p&g

24、t;　　對(duì)于兩個(gè)裝置中，阻止從B面到A面的傳播的過(guò)程在圖2b展示出來(lái)。為了說(shuō)明的目的，我們集中精力于裝置1 主體在B面被波長(zhǎng)是的波照射的情形。在假設(shè)垂直入射的條件下，基本的光柵矢量低于更低的能帶邊緣，因此是不可以把入射光耦合超材料的傳輸帶上的。此外，二階的光柵波矢（潛在而又顯著的存在于有直角截面的光柵的自由頻率的分解當(dāng)中）也是不可能把入射光耦合到超材料的傳播模式當(dāng)中，因?yàn)樗搅烁叩膫鬏攷У倪吘?，。因此，從圖2b我們可以很清晰的看出，

25、從B面垂直入射的輸入耦合要成為超材料的傳播模式的壓制很大一部分取決于對(duì)于的傳輸帶的形成，在區(qū)間的中間超過(guò)一個(gè)帶寬小于。正如之前提到的那樣，這樣一個(gè)能帶是不可以只通過(guò)一個(gè)理想的雙曲超材料來(lái)實(shí)現(xiàn)的（因?yàn)檫@樣一個(gè)材料能維持任意大的的值得傳播）；在的范圍內(nèi)禁帶的形成是均勻介質(zhì)近似不成立的直接結(jié)果，因?yàn)樵诔牧现械挠行РㄩL(zhǎng)與為金屬/電介質(zhì)堆選擇的互不關(guān)聯(lián)的材料層厚度相比不可忽略。確實(shí)，TMM計(jì)算（圖2補(bǔ)充說(shuō)明）揭露了更高的傳輸能帶邊緣的位置，，是

26、一個(gè)有關(guān)于銀/二氧化硅雙層厚度，(以一個(gè)對(duì)于銀的固定的填充率，以一個(gè)固定的總的堆厚度550nm)的單調(diào)遞減的函數(shù)，當(dāng)更低的能帶邊</p><p>　　上面已經(jīng)勾勒過(guò)的為了實(shí)現(xiàn)不對(duì)稱傳輸使用雙曲超材料空間濾波器還有兩個(gè)光柵的結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，它在不同的時(shí)期都被用FDTD方法的完整的電磁模擬所證實(shí)。圖2c,d代表了由裝置1被TM偏振平面波照射所得出的磁場(chǎng)的y-組成部分的模擬出來(lái)的振幅值，它們都是各自從A面和B面垂直入射

27、。單獨(dú)的組成部分的材料層厚度（銀：30 nm；二氧化硅：25 nm）和總的超材料的厚度（550 nm）正如在圖1b,c和圖2a,b中用TMM計(jì)算出來(lái)的一樣。光柵A和B是在一個(gè)不透光的50 nm厚的鉻膜中形成，有70 nm 寬的正方形開(kāi)口，周期是和跟圖2a,b的設(shè)定是一樣的。當(dāng)光從A面入射到裝置1，它就會(huì)被光柵A耦合到超材料中，然后通過(guò)超材料傳播，接著被光柵B耦合到超材料的外面，以上的每一步（圖2c）都伴隨著顯著的磁場(chǎng)振幅，在B面的遠(yuǎn)場(chǎng)產(chǎn)

28、生了一個(gè)強(qiáng)度傳輸系數(shù)。進(jìn)一步的TMM計(jì)算表明在超材料中電磁波在（對(duì)應(yīng)于基本光柵波矢的數(shù)量級(jí)）的內(nèi)部的吸收損耗在垂直于材料層平面超過(guò)550nm這個(gè)距離大約是-4dB，這意味著總的用FDTD計(jì)算的插入損耗對(duì)應(yīng)于現(xiàn)在的裝置設(shè)計(jì)是由組合光柵輸入和輸出耦合效率大約-10dB支配的。磁場(chǎng)干涉條紋的周期是3</p><p>　　在平面波以垂直入射的方式照射下，對(duì)于裝置的FDTD模擬表明，透射場(chǎng)是獨(dú)立于X的橫向位置的（那就是，沿

29、著平行于超材料層的平面的方向）。因此，裝置的不對(duì)稱傳輸?shù)膱?zhí)行是獨(dú)立于在兩個(gè)光柵之間的本地的橫向的相移。（它由于不相似的光柵周期，作為一個(gè)關(guān)于X的函數(shù)發(fā)生變化），這是一個(gè)在亞波長(zhǎng)值和在超材料堆中有橫向的均勻性質(zhì)的關(guān)于光柵間距的聯(lián)合作用結(jié)果，這提供了它在空間濾波器中的性質(zhì)，平移不變性（包括零階傳輸阻斷）。這里是嚴(yán)格橫向光柵校正規(guī)則的確實(shí)，例如日期的要求，舉例說(shuō)明一下，對(duì)于以自由空間耦合光柵組合5,11為基礎(chǔ)，太赫茲或者是紅外范圍的高對(duì)比度不

30、對(duì)稱傳輸?shù)南到y(tǒng)能讓在亞微米規(guī)模的被要求在可見(jiàn)光頻率操作的直接的裝置制造成為可能。此外，進(jìn)一步的TMM計(jì)算（圖2補(bǔ)充說(shuō)明）表明超材料完全阻斷了TE-偏振光（相對(duì)于材料層的平面，具有平面外的磁場(chǎng)）TE-偏振光是被衍射進(jìn)入復(fù)合層的，對(duì)于所有的橫向波矢的值。特別的是，這意味著小角度的校正錯(cuò)誤在一個(gè)給定光柵方向和在那個(gè)光柵的光入射的偏振化之間將不會(huì)顯著的影響正向-到-反向傳輸對(duì)比度。這跟光柵-偏振片-基礎(chǔ)的不對(duì)稱傳輸裝置6相違背，因?yàn)橐粋€(gè)高傳輸對(duì)

31、比度是有很大一部分取</p><p>　　在可見(jiàn)光頻率的實(shí)驗(yàn)演示。光柵-耦合的超材料設(shè)計(jì)由于以上的原因被持以樂(lè)觀的態(tài)度，在對(duì)于在空氣中的不對(duì)稱操作（裝置1）和（裝置2），這個(gè)設(shè)計(jì)在兩個(gè)使用一個(gè)氮化硅薄膜作為起始的襯底的獨(dú)立的裝置的形成中被制造出來(lái)。（看對(duì)于制造過(guò)程中的細(xì)節(jié)的方法）。一個(gè)濺射沉積還有聚焦離子束（FIB）碾磨的結(jié)合被用來(lái)制作一個(gè)550 nm厚的銀/二氧化硅，多層超材料核心（包含了交替的銀層還有二氧化硅

32、層，各自的目標(biāo)厚度是30 nm和25 nm），軸承著背靠背的的平行的補(bǔ)釘，面對(duì)空氣的周期性的表面光柵被施以50 nm厚的坐落于超材料的兩邊的鉻膜，正如圖3a所示（各自表示A面和B面，是設(shè)計(jì)好的在垂直入射光的條件下，高透過(guò)率的方向）。</p><p>　　小字部分：圖3|通過(guò)光柵耦合的超材料裝置的不對(duì)稱光學(xué)傳播的實(shí)驗(yàn)演示</p><p>　　被制造出來(lái)的實(shí)驗(yàn)裝置1的掃描電子顯微鏡圖像，被FI

33、B碾磨的橫截面解釋了超材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。左邊的插圖，從頂部的鉻光柵的掃描電子顯微鏡圖像我們可以看到周期是280 nm（橫向的尺寸：）。郵編的插圖，底部的鉻光柵的掃描電子顯微鏡圖像有200 nm的周期（橫向的尺寸跟頂部光柵的完全一樣）。(b和c)被測(cè)量的向前和向后的傳輸強(qiáng)度各自對(duì)應(yīng)于裝置1(b)和裝置2(c)在=532 nm 和=633 nm。入射照明包含了垂直入射的TM-偏振超連續(xù)光，它在中心波長(zhǎng)532 nm（裝置1），和633 nm（裝

34、置2）是帶通濾波的（帶寬：10 nm）。在設(shè)定的操作波長(zhǎng)正向和反向傳播的情況下，插圖是裝置1和裝置2的出口方的光學(xué)顯微鏡圖像。</p><p>　　接上：固定的孔徑寬度（≈70 nm）和被制造出來(lái)的光柵的可變的周期被選為跟那兩個(gè)被優(yōu)化的設(shè)計(jì)相匹配（那就是和在裝置1的情況下，和在裝置2的情況下）。為了表征他們各自的光學(xué)工作特性，裝置1和2被TM-偏振波，帶通濾波的超連續(xù)激光（10 nm半高全寬）照射，在中心波長(zhǎng)分別

35、是（裝置1）和（裝置2）。傳輸光被一個(gè)有著物鏡（數(shù)值孔徑=0.9）的倒置的光學(xué)顯微鏡和硅電荷耦合器件（CCD）攝像機(jī)收集并成像。</p><p>　　對(duì)收集到的正向和反向傳輸強(qiáng)度的窄帶光譜依賴性，和，在正規(guī)化到傳輸強(qiáng)度，他們?cè)趫D3b,c展示出來(lái)，這是對(duì)于每一個(gè)裝置，和對(duì)應(yīng)的相對(duì)于裝置出口表面的面光學(xué)圖像而言的。被測(cè)量的傳輸對(duì)比度在對(duì)于裝置1 是15.3dB，在對(duì)于裝置2是14.4dB，這兩個(gè)傳輸對(duì)比度確定了高對(duì)比

36、的不對(duì)稱光學(xué)傳輸。這些值與FDTD模擬預(yù)測(cè)的值相比略微低了一點(diǎn)（各自是35和34dB），可能是由于尺寸或者在制作裝置時(shí)與理想模型結(jié)構(gòu)相比結(jié)構(gòu)中的形態(tài)偏差。（比如在超材料堆中單獨(dú)的材料層的厚度或者是平坦度的偏差，這會(huì)被沉積的銀顆粒結(jié)構(gòu)影響）。圖3b的出口面的圖像展示了各自周期是≈350 nm（裝置1）和≈480 nm（裝置2）的干涉條紋跟理論計(jì)算和FDTD模擬吻合的很好，這證實(shí)了傳播光出現(xiàn)在遠(yuǎn)場(chǎng)是以49.5°角（裝置1）和41.

37、3°角（裝置2）橫向反向傳播的法則的形成為基礎(chǔ)的。</p><p>　　小字部分：圖4|制造出來(lái)的裝置的寬帶非對(duì)稱響應(yīng)。被測(cè)量的，穿過(guò)可見(jiàn)光光譜的，各自對(duì)應(yīng)于裝置1和裝置2的A-到-B和B-到-A強(qiáng)度傳輸系數(shù)。綠色和紅色的陰影意味著各自裝置的區(qū)域超過(guò)正向/反向傳輸對(duì)比度，，也就是高于10dB。</p><p><b>　　接上：討論</b></p>

38、;<p>　　雙曲超材料的平板被衍射光柵裝載后，可以使不只是在一個(gè)特定的波長(zhǎng)，而是穿過(guò)一個(gè)相對(duì)比較寬的光譜范圍的高對(duì)比的不對(duì)稱傳輸成為可能。舉例來(lái)說(shuō)，圖4各自繪出了正向和反向強(qiáng)度傳輸系數(shù)和對(duì)于裝置1和裝置2，這兩個(gè)強(qiáng)度傳輸系數(shù)可以作為自由空間波長(zhǎng)的一個(gè)函數(shù)。波長(zhǎng)的跨度對(duì)應(yīng)于傳輸對(duì)比度分別是，對(duì)應(yīng)于裝置1是83 nm（覆蓋了波長(zhǎng)范圍508-590 nm），對(duì)應(yīng)于裝置2是117 nm（覆蓋了波長(zhǎng)范圍572-688 nm）。這意

39、味著對(duì)于每一個(gè)裝置一個(gè)分?jǐn)?shù)帶寬對(duì)于不對(duì)稱傳輸對(duì)比而言。以傳播超材料模式，這個(gè)對(duì)于光柵輸入和輸出耦合相對(duì)比較大的波長(zhǎng)帶寬是被構(gòu)成的超材料空間頻率通帶保證的，它不單只對(duì)于的函數(shù)而言相對(duì)較寬，而且也跟的函數(shù)相對(duì)垂直（圖2a,b）。</p><p>　　對(duì)于從A到B的傳播，各自工作在設(shè)定好的波長(zhǎng)和，對(duì)于裝置1和2的插入損耗（裝置的強(qiáng)度傳輸系數(shù)）分別是-23dB和-26.5dB。這些高插入損耗被認(rèn)為是由在超材料組成層中的內(nèi)

40、部的吸收和次優(yōu)輸入和輸出光柵耦合導(dǎo)致的。我們期望光柵耦合系數(shù)可以通過(guò)調(diào)整光柵的形狀得到顯著的提高從而最大限度的提高相對(duì)于高階光柵波矢成分的基本光柵波矢。從另一方面來(lái)講，吸收損耗，可能可以通過(guò)在超材料33-35的電介質(zhì)層中加入一個(gè)有源增益來(lái)得到補(bǔ)償。</p><p>　　雖然我們用實(shí)驗(yàn)演示了不對(duì)稱光學(xué)傳輸在垂直入射平面波的情況，但是光柵耦合超材料裝置同樣也是在理論上可以加強(qiáng)不對(duì)稱傳輸，在一個(gè)關(guān)于垂直的寬的范圍的入射

41、角里，由于在雙曲超材料中有限的橫向空間頻率的傳輸帶寬，寬度≈?？紤]到入射角，從A面到B面的不對(duì)稱光學(xué)傳輸同時(shí)需要各自的輸入和輸出耦合條件，和。滿足不對(duì)稱傳輸?shù)臈l件下，這個(gè)系統(tǒng)的解決方案產(chǎn)生了入射的角度范圍和，這是相對(duì)垂直的情況，并且各自對(duì)于裝置1和裝置2而言的。</p><p>　　總而言之，我們已經(jīng)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)演示了一個(gè)被動(dòng)的，與時(shí)間無(wú)關(guān)的基于超材料的裝置，這個(gè)裝置可以對(duì)可見(jiàn)光進(jìn)行高度不對(duì)稱的傳輸。寬帶不對(duì)稱傳輸

42、通過(guò)結(jié)合一個(gè)對(duì)于超過(guò)衍射限制的高空間頻率的有帶通濾波器功能的雙曲超材料，和一對(duì)可以在材料中進(jìn)行輸入耦合和輸出耦合傳播模式的，不對(duì)稱的，亞波長(zhǎng)周期光柵來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于它的平面結(jié)構(gòu)和較少的占用空間，這個(gè)不對(duì)稱傳輸超材料裝置的出現(xiàn)對(duì)于工作在可見(jiàn)光頻率的集成光學(xué)系統(tǒng)很有應(yīng)用前景。</p><p>　　方法：為了制造這個(gè)獨(dú)立的光柵修飾的超材料裝置，底部的鉻，銀/二氧化硅超材料和頂部的鉻層在隨后都通過(guò)在同一個(gè)濺射室進(jìn)行物理濺射，

43、從而沉積在氧化硅上面。對(duì)于鉻，銀和二氧化硅，濺射沉積率分別是，和。FIB碾磨（鎵+離子，30KeV）然后從膜側(cè)被用于本地轉(zhuǎn)移然后在鉻層的底部形成一個(gè)的光柵結(jié)構(gòu)。對(duì)超材料的全部厚度還有鉻層全層的參考比對(duì)標(biāo)記都在光柵結(jié)構(gòu)的底部附近被FIB碾磨形成圖案。最后，這個(gè)樣品被反轉(zhuǎn)然后另一個(gè)的光柵同樣被FIB碾磨到鉻層的頂部，是和底部以同樣的光柵方向和同樣的橫向位置制作的，</p><p>　　這可以從比對(duì)標(biāo)記來(lái)推斷。<