非对称界面条形波导中Dyakonov表面波导模式的理论预测与应用探索

研究人员针对传统Dyakonov表面波(DSWs)在有限结构中传播受限的问题，通过构建金属/空气非对称边界条件的各向异性界面波导，首次证实了无论正负光学各向异性均可支持Dyakonov表面波导模式(DSWMs)。结合微扰理论和有限元法，揭示了负各向异性下强局域化与正各向异性下缓衰减的特性，其高度圆偏振(±1)特性为光学传感与通信提供了新思路。

　　

在光学与纳米光子学领域，表面波的操控一直是前沿课题。Dyakonov表面波(DSWs)作为一类特殊的电磁模式，自1988年理论预测以来，因其在界面处无辐射损耗传播的特性备受关注。然而，自然双折射材料的弱各向异性导致DSWs存在角度传播范围极窄的瓶颈，且传统研究多集中于无限大界面系统，严重制约了其实用化进程。更棘手的是，现有理论认为DSWs对材料各向异性类型具有严苛选择性——正各向异性(_εe>_εo)材料才能支持波导模式，这极大限制了器件设计的自由度。

为突破这些限制，来自国内的研究团队在《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》发表创新研究。他们设计了一种革命性的非对称波导结构：将两个光学轴取向相反的相同各向异性介质平板在z=0平面接触，一侧以完美电导体(PEC)为界，另一侧以空气为界。这种独特的金属/空气非对称边界打破了传统对称波导的束缚，通过理论推导与数值模拟相结合，首次证明了无论正负各向异性均可支持Dyakonov表面波导模式(DSWMs)。

研究采用三大关键技术：1) 微扰理论处理弱各向异性近似下的Maxwell方程组；2) 有限元法(FEM)全波数值验证；3) 构建非对称边界条件下的本征方程解析模型。特别值得注意的是，团队建立了包含_ε1、_ε2、_ky^e、_ky^o等参数的复杂色散关系方程，通过精确求解该方程获得模式特性。

【Model and analytical description】
研究团队建立了包含TE-TM模式耦合的理论框架。当波导材料为负各向异性(_εe<_εo)时，通过微扰理论将DSWMs解析表示为未扰动波导模式的叠加，其色散关系呈现显著的非线性特征。方程中_κy与_kx的耦合项揭示了边界不对称性对模式形成的决定性作用。

【DSWM in a waveguide with negative anisotropy】
负各向异性波导表现出非凡的强局域特性：电场在PEC边界处增强约3个数量级，且在z方向呈指数衰减。微扰分析显示，该模式下TE与TM分量强度比达10^-2量级，但二者相位锁定产生高度圆偏振，在特定位置偏振度可达±1。色散曲线位于光锥下方，证实其无辐射损耗特性。

【DSWM in a waveguide with positive anisotropy】
正各向异性(_εe>_εo)情形下，因TE-TM模式色散曲线分离显著，团队采用FEM直接数值求解。结果显示模式场沿y方向缓慢衰减，穿透深度达数十微米，但依然保持表面波特性。有趣的是，这种"泄漏"式分布反而有利于与外界环境相互作用，在传感应用中独具优势。

【Conclusions】
该研究颠覆了传统认知：1) 非对称边界使DSWMs的存在不再依赖各向异性类型；2) 负各向异性产生亚波长局域，正各向异性实现长程传播；3) 所有DSWMs均展现近乎完美的圆偏振特性。O.V. Borovkova等通过理论突破为DSWs的实际应用铺平道路——金属边界适合紧凑型光子器件，空气边界则优化了生物传感灵敏度。

这项工作的深远意义在于：首先，提出的非对称波导架构解决了DSWs在有限结构中传播的基础科学问题；其次，建立的普适性理论框架可推广到双曲超材料等新兴体系；最后，高度可调的偏振特性为量子光学器件开发提供了新思路。正如作者指出，该研究"opens new opportunities for the experimental investigation"，将推动DSWs从理论奇观走向实用化突破。