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，通過計算模擬或?qū)嶒灮赟Ps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，對SPs全光開關(guān)做了重點介紹. 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&

2、#160; 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

3、60;optical switches based on surface plasmon effects have been demonstrated either by simulation or experimentally. This article describes the principles, advantages and disadvantages o

4、f various types of optical switches based on SPs, in particular the all-optical switches. Keywordssurface plasmons, subwavelength optics, optical switch, optical bistability, overview 1

5、 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度內(nèi)實現(xiàn)光的控制，

6、在納米尺度上實現(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)動功率方面具有獨特優(yōu)勢.目前報道的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   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  

7、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，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

8、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大于光柵小孔尺寸，且基于熱激發(fā)載流子，開關(guān)時間取決于半導(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*，因此該開關(guān)可用于溫度傳感裝置，在一定范圍內(nèi)實現(xiàn)對溫度的精確探測.同時，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)&

9、#160; 目前報道的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傳播模式，當(dāng)不加偏壓時，這兩個模式在金屬層上表面相干相長，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，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)時間；缺點是開關(guān)長度受SP

10、s橫向傳播距離*，且高消光比和低驅(qū)動功率不能同時滿足.根據(jù)其開關(guān)速度和結(jié)構(gòu)特點，該開關(guān)不僅可以作為一個多通道開關(guān)，而且能方便地集成在基于SPs效應(yīng)的光子回路中，同時能實現(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  4.2 棱鏡激發(fā)型  4.3 二維孔陣列型 4.4

11、0;光雙穩(wěn)開關(guān)   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.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.  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SPs光開關(guān)的優(yōu)缺點及相關(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

12、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)計更合理的光開關(guān)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)更簡捷的控制方式，在納米尺度上實現(xiàn)光子器件的有效調(diào)控，具有重

13、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 4 Hoffman M, Kopka P, Voges E. J. Lightwave Technol., 1998,16:395 5 G&

14、#243;mez Rivas J, Haring Bolivar P, Kurz H. Opt.Lett., 2004,29:1680 6 Liu S W, Xiao M. Appl. Phys. Lett., 2006,88:143512 7 Krasavin A V, Zheludev N I. Appl. Phy

15、s. Lett., 2004,84:1416 8 Yacoubian A, Aye T M. Appl. Opt., 1993,32:3073 9 Kovacs G J, Scott G D. Phys. Rev. B, 1977,16:1297 10 Krasavin A V, MacDonald K F, Zhelude N I，Appl. Phys. Lett., 2004,85:3369 11 Janke C, Gómez Rivas J et al. Opt. Lett., 2005, 30:2357 12 Smolyan