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摘要目前表面等離子體(surfaceplasmons,SPs)效應(yīng)在光傳感、光存儲(chǔ)及生物光子學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景受到了廣泛關(guān)注，通過計(jì)算模擬或?qū)嶒?yàn)基于SPs效應(yīng)的光開關(guān)也層出不窮.文章較為系統(tǒng)地介紹了各種基于SPs效應(yīng)的光開關(guān)原理和優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)SPs全光開關(guān)做了重點(diǎn)介紹.

關(guān)鍵詞表面等離子體亞波長(zhǎng)光學(xué),光開關(guān),光雙穩(wěn),綜述

AbstractGreatattentionisbeingpaidtosurfaceplasmons(SPs)becauseoftheirpotentialapplicationsinsensors,datastorageandbio-photonics.Recently,moreandmoreopticalswitchesbasedonsurfaceplasmoneffectshavebeendemonstratedeitherbysimulationorexperimentally.Thisarticledescribestheprinciples,advantagesanddisadvantagesofvarioustypesofopticalswitchesbasedonSPs,inparticulartheall-opticalswitches.

Keywordssurfaceplasmons,subwavelengthoptics,opticalswitch,opticalbistability,overview

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1引言

表面等離子體是局域在金屬表面、沿表面?zhèn)鞑サ囊环N電磁波，通過構(gòu)造金屬表面的結(jié)構(gòu)，可以在納米尺度下控制表面等離子體的激發(fā)和傳播——特別是它與光的相互耦合［1］.這種可調(diào)控性在新型光子學(xué)，尤其是亞波長(zhǎng)光子器件的設(shè)計(jì)應(yīng)用方面極具潛力，目前如何有效進(jìn)行表面等離子體的動(dòng)態(tài)調(diào)控是重要的研究方向，最主要的就是實(shí)現(xiàn)基于表面等離子體效應(yīng)的光開關(guān)(下面簡(jiǎn)稱SPs光開關(guān)).SPs光開關(guān)是在開關(guān)結(jié)構(gòu)中激發(fā)SPs，通過改變外部條件影響SPs的激發(fā)或傳輸特性，進(jìn)而達(dá)到開關(guān)效果的一種新型光開關(guān).隨著制作工藝的不斷成熟，SPs光開關(guān)利用新的物理機(jī)理和物理結(jié)構(gòu)，可在小于衍射極限尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)光的控制，在納米尺度上實(shí)現(xiàn)光子器件的集成［2］，因此SPs光開關(guān)在速度和尺寸及驅(qū)動(dòng)功率方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì).目前報(bào)道的SPs光開關(guān)類型主要有熱光開光、電光開光及全光開光等.

2SPs熱光開關(guān)

一般而言，熱光開關(guān)的速度相對(duì)較慢，主要有以下兩種SPs熱光開關(guān).

2.1MZ型

這種光開關(guān)將金膜夾在BCB（苯并環(huán)丁烯）介質(zhì)層中［3］，通過電極加熱，調(diào)控SPs-M-Z結(jié)構(gòu)中一臂的介電常數(shù)，影響在兩路傳播的SPs在節(jié)點(diǎn)處的耦合條件，最終控制信號(hào)輸出情況，如圖1所示.該開關(guān)消光比可達(dá)35dB，插入損耗11dB，適用于1.51—1.62μm波段，由于是利用熱光效應(yīng)，開關(guān)速度較慢，為0.7ms.根據(jù)以上特點(diǎn)，該光開關(guān)可用作數(shù)字光開關(guān)，作為寬帶寬光子網(wǎng)絡(luò)中的空間可分離開關(guān)［4］.雖然這種MZ型SPs光開關(guān)并沒有在設(shè)計(jì)思路上有重大突破，但它在傳統(tǒng)開關(guān)的結(jié)構(gòu)中引入SPs，利用SPs的相干相消、相干相長(zhǎng)達(dá)到開關(guān)目的，這種開關(guān)有利于開關(guān)體積的小型化.

圖1上圖（a）為馬赫-曾德干涉調(diào)制（MZIM）結(jié)構(gòu)，（b）為定向耦合開關(guān)（DCS）結(jié)構(gòu)，（c）為光學(xué)顯微鏡下的結(jié)構(gòu)，（d）為電極接觸點(diǎn)的放大圖像；下圖為輸出強(qiáng)度隨所加電壓大小的變化曲線［3］

2.2半導(dǎo)體孔陣列型

該開關(guān)的主要結(jié)構(gòu)為二維亞波長(zhǎng)Si光柵［5］，厚度100μm，正方形小孔邊長(zhǎng)70μm，周期300μm，適用于THz波段.如圖2上圖所示，由于入射波長(zhǎng)大于小孔邊長(zhǎng)，故入射波在Si光柵表面激發(fā)SPs，SPs隧穿到光柵另一表面，然后褪耦合出射.當(dāng)改變Si光柵的溫度，調(diào)節(jié)半導(dǎo)體內(nèi)的自由載流子濃度，進(jìn)而改變Si的介電常數(shù)，影響SPs激發(fā)程度，最終控制透射量.下圖為相同尺寸的Si光柵和Au光柵從室溫到12K變化時(shí)，在THz波段（250μm—750μm）的透射率變化情況.由于金屬Au的自由載流子濃度隨溫度變化不大，因而其透過率基本不變；而對(duì)于Si光柵，同一波長(zhǎng)，不同溫度，其透過率變化十分明顯，尤其在THz波段.

圖2上圖為半導(dǎo)體孔陣列開關(guān)工作原理示意圖;下圖(a)為Si光柵,(b)為Au光柵在不同溫度下THz波段的透射率變化［5］

這種半導(dǎo)體材料做成的SPs熱光開關(guān)必須要求適用波段的波長(zhǎng)大于光柵小孔尺寸，且基于熱激發(fā)載流子，開關(guān)時(shí)間取決于半導(dǎo)體材料對(duì)溫度的響應(yīng)和溫度變化的快慢，速度受到很大限制，因此該開關(guān)可用于溫度傳感裝置，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確探測(cè).同時(shí)，可以預(yù)見如果該開關(guān)是基于光生載流子，其速度將大大提高，這對(duì)制作類似的全光開關(guān)有很好的指導(dǎo)意義.

3SPs電光開關(guān)

目前報(bào)道的SPs電光開關(guān)主要是MZ型，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示［6］.金屬層上下表面覆蓋E-O介質(zhì)（BST），金屬厚度d=0.8λ，E-O介質(zhì)厚度d1=d3=8λ/15，開關(guān)長(zhǎng)度L=2000λ.在金屬層上下表面存在以金屬層為中心的對(duì)稱和反對(duì)稱兩個(gè)傳播模式，當(dāng)不加偏壓時(shí)，這兩個(gè)模式在金屬層上表面相干相長(zhǎng)，而下表面相干相消，故SPs從上通道輸出；當(dāng)加上偏壓（V=59kV/cm）時(shí)，由于電場(chǎng)對(duì)對(duì)稱和反對(duì)稱SPs模式的傳播常數(shù)影響不同，使之在上表面相消，而下表面相長(zhǎng)，從而將SPs切換到下表面輸出.這種開關(guān)具有很高的消光比27dB，開關(guān)速度主要取決于E-O介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的響應(yīng)時(shí)間；缺點(diǎn)是開關(guān)長(zhǎng)度受SPs橫向傳播距離限制，且高消光比和低驅(qū)動(dòng)功率不能同時(shí)滿足.根據(jù)其開關(guān)速度和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該開關(guān)不僅可以作為一個(gè)多通道開關(guān)，而且能方便地集成在基于SPs效應(yīng)的光子回路中，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)光隧穿、光開關(guān)和光調(diào)制等功能.

4SPs全光開關(guān)

全光開關(guān)在開關(guān)速度、信息處理等方面具有較大的優(yōu)勢(shì)，在SPs納米光子器件及其集成回路中，如何做出響應(yīng)快、損耗小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的全光開關(guān)也日益重要.

4.1光柵耦合型

2004年,A.V.Krasavin等人提出了利用光柵激發(fā)和褪耦合結(jié)構(gòu)的SPs全光開關(guān)［7］.開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖4所示,信號(hào)光入射至左邊的耦合光柵處，激發(fā)形成SPs，SPs沿Au/Si介面?zhèn)鬏?，在這段傳輸路徑中加入一段L=2.5μm的Ga薄膜，當(dāng)沒有控制光照射時(shí)，Ga為固態(tài)α-Ga，表現(xiàn)為非金屬性質(zhì)，SPs不能有效傳輸而被中斷；當(dāng)有入射光照射時(shí)，Ga的上表層熔化為液態(tài)m-Ga，SPs能有效傳輸至右端褪耦合光柵，轉(zhuǎn)化為信號(hào)光輸出；需要指出的是，這個(gè)僅僅是理論上的模型，數(shù)值計(jì)算表明，該開關(guān)調(diào)制深度為80%，驅(qū)動(dòng)功率約為10pJ，開關(guān)開啟時(shí)間由界面處厚度為d的Ga的熔化時(shí)間決定，大概ps量級(jí)，關(guān)閉時(shí)間由液態(tài)Ga的凝固時(shí)間決定，約為ns至μs量級(jí).雖然該開關(guān)相對(duì)熱光開關(guān)速度較快，但由于需制作光柵，成本較高，實(shí)驗(yàn)上也尚未實(shí)現(xiàn)，實(shí)際應(yīng)用受到很大限制.

4.2棱鏡激發(fā)型

ArazYacoubian于1993年從理論上提出了棱鏡結(jié)構(gòu)的SPs調(diào)制結(jié)構(gòu)［8］,在SF1棱鏡底部分別鍍1μm的PMMA、20nm的Ag膜和半無限厚的PMMA-DR1，信號(hào)光以一定角度入射時(shí)，可形成長(zhǎng)程表面等離子體共振，此時(shí)反射極弱；當(dāng)用抽運(yùn)光入射到PMMA-DR1，改變PMMA-DR1的折射率-0.0012，則可移動(dòng)該共振角約0.05度，使反射率從0左右躍至0.7左右.該結(jié)構(gòu)在實(shí)際制作上有兩個(gè)難點(diǎn)：長(zhǎng)程表面SPs波的激發(fā)對(duì)第一層PMMA的厚度很敏感，很難精確控制在1μm；其次多層膜結(jié)構(gòu)中膜表面的粗糙度對(duì)SPs共振影響很大［9］.

2004年，A.V.Krasavin在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了這種基于棱鏡結(jié)構(gòu)的Ga調(diào)制SPs光開關(guān)［10］.如圖5所示，在棱鏡底部鍍一層厚度為185nm的MgF2，再鍍一層Ga.在上述光柵耦合型開關(guān)中，Ga作用于SPs的傳輸過程，而這個(gè)棱鏡激發(fā)型SPs開光中Ga作用于SPs的激發(fā)環(huán)節(jié).如圖5(b)，當(dāng)沒有控制光照射，Ga處于固態(tài)α-Ga，780nm信號(hào)光在MgF2/Ga界面上形成SPs，因此反射減弱；如圖5(c)，當(dāng)1064nm的控制光入射時(shí)，在MgF/Ga界面處有厚度為d的Ga處于液態(tài)m-Ga，信號(hào)光不能有效形成SPs，反射增強(qiáng).該開關(guān)的開啟時(shí)間為4ps，關(guān)閉時(shí)間為20ns.這種類型的開關(guān)能在可見和近紅外波段有效調(diào)制SPs信號(hào)，帶寬可達(dá)幾十兆赫茲；但由于結(jié)構(gòu)中涉及棱鏡，開關(guān)大小受限，難以集成.

4.3二維孔陣列型

半導(dǎo)體孔陣列結(jié)構(gòu)：該開關(guān)與上述半導(dǎo)體SPs熱光開關(guān)極為相似［11］，是C.Janke和J.GómezRivas等人在半導(dǎo)體SPs熱光開關(guān)［2］基礎(chǔ)上，利用InSb材料的光生載流子效應(yīng)，以周期性方孔陣列的InSb二維光柵為結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的.光柵厚度h=130μm，小孔邊長(zhǎng)d=65μm，小孔周期D=300μm.抽運(yùn)光是中心波長(zhǎng)為780nm的Ti寶石激光，脈沖寬度為100fs，信號(hào)光為300—700μm的THz波.當(dāng)抽運(yùn)光照射到InSb二維光柵上時(shí)，通過光生載流子效應(yīng)調(diào)節(jié)半導(dǎo)體材料的介電常數(shù)，調(diào)控其光柵結(jié)構(gòu)的THz-SPs透射增強(qiáng)效應(yīng).開關(guān)速度主要取決于載流子濃度對(duì)抽運(yùn)光的響應(yīng)，約50ns，利用載流子壽命更短的材料有望進(jìn)一步提高開關(guān)速度.該類SPs光開關(guān)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，速度較快，容易集成，有望實(shí)現(xiàn)基于SPs效應(yīng)的各種超快調(diào)制器件.金膜孔陣列結(jié)構(gòu)：如圖6所示，這種開關(guān)是在納米金屬小孔陣列中復(fù)合非線性聚合物光學(xué)材料3BCMU［12］，在抽運(yùn)光的作用下產(chǎn)生光致非線性折射率變化，影響信號(hào)光能否在二維金屬孔陣列中產(chǎn)生SPs現(xiàn)象，進(jìn)而決定信號(hào)光的透射強(qiáng)度.該開光抽運(yùn)光為488nm的Ar離子激光，斬波頻率1.2kHz，信號(hào)光為633nm的He-Ne激光.圖7為小孔半徑分別為20nm和100nm的兩個(gè)不同陣列結(jié)構(gòu)的開關(guān)時(shí)間響應(yīng)圖.該文獻(xiàn)中沒有明確報(bào)道開關(guān)時(shí)間，非線性材料的響應(yīng)速度是決定開關(guān)快慢的主要因素.構(gòu)造一系列這種門控SPs開關(guān)，有可能在量子通信及計(jì)算中對(duì)光信號(hào)和圖像實(shí)現(xiàn)多通道并行處理.

4.4光雙穩(wěn)開關(guān)

2004年，J.A.Porto從理論上分析了在一維金屬光柵中填充Kerr非線性介質(zhì)，利用類FP效應(yīng)和SPs透射增強(qiáng)效應(yīng)，其透射光出現(xiàn)光雙穩(wěn)現(xiàn)象［13］.圖8是光柵結(jié)構(gòu)示意圖，光柵周期d=0.75μm，狹縫寬度a=0.05μm，光柵厚度h=0.45μm.圖9是波長(zhǎng)為0.8μm的光入射到光柵上透射強(qiáng)度與入射強(qiáng)度的關(guān)系.

2006年，G.A.Wurtz等人在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)在周期性納米圓孔陣列的金屬薄膜表面涂上3BCMU非線性聚合物后［14］，以620nm、690nm和750nm作為信號(hào)光，分別在488nm、514nm抽運(yùn)光的作用下，其透射光出現(xiàn)光雙穩(wěn)現(xiàn)象，如圖10所示，(a)(d)信號(hào)光波長(zhǎng)為620nm，(b)(e)信號(hào)光波長(zhǎng)為690nm，(c)(f)信號(hào)光波長(zhǎng)為750nm；(a)—(c)抽運(yùn)光波長(zhǎng)為488nm，(d)—(f)抽運(yùn)光波長(zhǎng)為514nm.金膜厚度220nm，圓孔直徑200nm，周期：600nm，金屬膜尺寸：12×12μm2，非線性介質(zhì)層厚度：200—250nm.

圖10二維金膜孔陣列在不同信號(hào)光和不同抽運(yùn)光下的光雙穩(wěn)現(xiàn)象［14］

光雙穩(wěn)現(xiàn)象是光開關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一.用光雙穩(wěn)現(xiàn)象研制的光開關(guān)具有結(jié)構(gòu)體積小、易集成、開關(guān)速度快等特點(diǎn).如何利用基于SPs效應(yīng)的光雙穩(wěn)現(xiàn)象制作出響應(yīng)快、閾值低、尺寸小的光開關(guān)還有待進(jìn)一步的研究.

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5總結(jié)

本文從原理上介紹了近幾年利用SPs效應(yīng)研制的光開關(guān)及光調(diào)控器件，對(duì)各個(gè)SPs光開關(guān)的優(yōu)缺點(diǎn)及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了闡述和分析.這些開關(guān)包括熱光開關(guān)、電光開關(guān)、全光開關(guān)，無論是從開關(guān)速度或者光子回路集成角度而言，全光開關(guān)都將扮演重要角色，尤其是尚未完全實(shí)現(xiàn)的SPs光雙穩(wěn)開關(guān)更是具有巨大的應(yīng)用潛力.總體而言，以上各種SPs光開關(guān)均未完全成熟，需要在材料、結(jié)構(gòu)等方面加以改進(jìn)和提高，比如：在使用材料上，對(duì)于利用光生載流子效應(yīng)的，采用載流子壽命更短的材料，可以提高開關(guān)速度；對(duì)于利用非線性效應(yīng)的，采用非線性系數(shù)高的材料，可以降低抽運(yùn)功率；在開關(guān)結(jié)構(gòu)上，則應(yīng)盡可能地采用形式簡(jiǎn)單，容易集成的SPs激發(fā)或傳輸方式.未來的信息技術(shù)領(lǐng)域，勢(shì)必以大規(guī)模光子集成回路和全光通訊為核心技術(shù)，利用基于SPs效應(yīng)，結(jié)合更優(yōu)越的光學(xué)材料,設(shè)計(jì)更合理的光開關(guān)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)捷的控制方式，在納米尺度上實(shí)現(xiàn)光子器件的有效調(diào)控，具有重要意義.

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