基于表面等離子體效應(yīng)的光開關(guān)研究現(xiàn)狀和進(jìn)展

1、基于表面等離子體效應(yīng)的光開關(guān)研究現(xiàn)狀和進(jìn)展                             作者：陳聰王沛苑光輝王小蕾閔長俊鄧燕魯擁華明海摘 要目前表面等離子體(surface plasmons, SPs)效應(yīng)在光傳感、光存儲及生物光子學(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

2、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光學(xué), 光開關(guān), 光雙穩(wěn), 綜述  AbstractGreat attention is being paid to surface plasmons (SPs) because of their potential applications in sensors, data storage and bio-photonics. Recently, more and more optical switches based on surface plasmon

3、effects have been demonstrated either by simulation or experimentally. This article describes the principles, advantages and disadvantages of various types of optical switches based on SPs, in particular the all-optical switches. Keywordssurface plasmons, subwavelength optics, optical switch, optica

4、l bistability, overview 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

5、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)動功率方面具有獨(dú)特優(yōu)勢.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. 2 SPs熱光開關(guān) 一般而言，熱光開關(guān)的速度相對較慢，主要有以下兩種SPs熱光開關(guān). 2.1 MZ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1.511.62m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

6、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Si光柵5，厚度100m，正方形小孔邊長70m，周期300m，適用于THz波段.如圖2上圖所示，由于入射波長大于小孔邊長，故入射波

7、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（250m750m）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；而對于Si光柵，同一波長，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

8、段的波長大于光柵小孔尺寸，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)對溫度的精確探測.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，這對制作類似的全光開關(guān)有很好的指導(dǎo)意義. 3 SPs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=0.8，E-O介質(zhì)厚度d1=d3=8/15，開關(guān)長度L=2000.在金屬層上下表面存在以金屬層為中心的對稱和反對稱兩個(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，而下表面

9、相干相消，故SPs從上通道輸出；當(dāng)加上偏壓（V=59kV/cm）時(shí)，由于電場對對稱和反對稱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，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)對電場的響應(yīng)時(shí)間；缺點(diǎn)是開關(guān)長度受SPs橫向傳播距離限制，且高消光比和低驅(qū)動功率不能同時(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. 4 SPs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，在SPs納米光子器件及其集成回路中，如何做出

10、響應(yīng)快、損耗小、結(jié)構(gòu)簡單的全光開關(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=2.5m的Ga薄膜，當(dāng)沒有控制光照射時(shí)，Ga為固態(tài)-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)動功率約為10pJ，開關(guān)開啟時(shí)間由界

11、面處厚度為d的Ga的熔化時(shí)間決定，大概ps量級，關(guān)閉時(shí)間由液態(tài)Ga的凝固時(shí)間決定，約為ns至s量級.雖然該開關(guān)相對熱光開關(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 Araz Yacoubian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1m的PMMA、20nm的Ag膜和半無限厚的PMMA-DR1，信號光以一定角度入射時(shí)，可形成長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，則可移動該共振角約0.05度，使反射率從0左右躍至0.7

12、左右.該結(jié)構(gòu)在實(shí)際制作上有兩個(gè)難點(diǎn)：長程表面SPs波的激發(fā)對第一層PMMA的厚度很敏感，很難精確控制在1m；其次多層膜結(jié)構(gòu)中膜表面的粗糙度對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)-Ga，780nm信號光在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

13、MgF/Ga界面處有厚度為d的Ga處于液態(tài)m-Ga，信號光不能有效形成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，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.Gómez Rivas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=130m，小孔邊長d=65m，小孔周期D=300m.抽運(yùn)光是中心波長為78

14、0nm的Ti寶石激光，脈沖寬度為100fs，信號光為300700m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)相對簡單，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.                  

15、60;           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3BCMU12，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

16、.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)算中對光信號和圖像實(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=0.75m，狹縫寬度a=0.05m，光柵厚度h=0.45m.圖9是波長為0.8m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作為信號光，分別在488nm、5

17、14nm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)信號光波長為620nm，(b)(e)信號光波長為690nm，(c)(f)信號光波長為750nm；(a)(c)抽運(yùn)光波長為488nm，(d)(f)抽運(yùn)光波長為514nm.金膜厚度220nm，圓孔直徑200nm，周期：600nm，金屬膜尺寸：12×12m2，非線性介質(zhì)層厚度：200250nm. 圖10 二維金膜孔陣列在不同信號光和不同抽運(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

18、、尺寸小的光開關(guān)還有待進(jìn)一步的研究. 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

19、用形式簡單，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. 參考文獻(xiàn) 1 William L. Barnes. Nature，2003,424:824 2 Ekmel Ozbay et al. Science, 2006,311:189 3 Thomas Nikolajsen, Kristjan Leosson, Appl.Phys.Lett., 2004,85:5833 4 Hoffman M, Kopka P, Voges E. J. Lightwave Technol., 1998,16:395 5 Gómez Rivas J, Haring Bolivar P