表面等離子體效應

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摘要目前表面等離子體(surfaceplasmons,SPs)效應在光傳感、光存儲及生物光子學等領域的應用前景受到了廣泛關注，通過計算模擬或實驗基于SPs效應的光開關也層出不窮.文章較為系統地介紹了各種基于SPs效應的光開關原理和優缺點，對SPs全光開關做了重點介紹.

關鍵詞表面等離子體亞波長光學,光開關,光雙穩,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、沿表面傳播的一種電磁波，通過構造金屬表面的結構，可以在納米尺度下控制表面等離子體的激發和傳播——特別是它與光的相互耦合［1］.這種可調控性在新型光子學，尤其是亞波長光子器件的設計應用方面極具潛力，目前如何有效進行表面等離子體的動態調控是重要的研究方向，最主要的就是實現基于表面等離子體效應的光開關(下面簡稱SPs光開關).SPs光開關是在開關結構中激發SPs，通過改變外部條件影響SPs的激發或傳輸特性，進而達到開關效果的一種新型光開關.隨著制作工藝的不斷成熟，SPs光開關利用新的物理機理和物理結構，可在小于衍射極限尺度內實現光的控制，在納米尺度上實現光子器件的集成［2］，因此SPs光開關在速度和尺寸及驅動功率方面具有獨特優勢.目前報道的SPs光開關類型主要有熱光開光、電光開光及全光開光等.

2SPs熱光開關

一般而言，熱光開關的速度相對較慢，主要有以下兩種SPs熱光開關.

2.1MZ型

這種光開關將金膜夾在BCB（苯并環丁烯）介質層中［3］，通過電極加熱，調控SPs-M-Z結構中一臂的介電常數，影響在兩路傳播的SPs在節點處的耦合條件，最終控制信號輸出情況，如圖1所示.該開關消光比可達35dB，插入損耗11dB，適用于1.51—1.62μm波段，由于是利用熱光效應，開關速度較慢，為0.7ms.根據以上特點，該光開關可用作數字光開關，作為寬帶寬光子網絡中的空間可分離開關［4］.雖然這種MZ型SPs光開關并沒有在設計思路上有重大突破，但它在傳統開關的結構中引入SPs，利用SPs的相干相消、相干相長達到開關目的，這種開關有利于開關體積的小型化.

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

2.2半導體孔陣列型

該開關的主要結構為二維亞波長Si光柵［5］，厚度100μm，正方形小孔邊長70μm，周期300μm，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SPs，SPs隧穿到光柵另一表面，然后褪耦合出射.當改變Si光柵的溫度，調節半導體內的自由載流子濃度，進而改變Si的介電常數，影響SPs激發程度，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（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上圖為半導體孔陣列開關工作原理示意圖;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］

這種半導體材料做成的SPs熱光開關必須要求適用波段的波長大于光柵小孔尺寸，且基于熱激發載流子，開關時間取決于半導體材料對溫度的響應和溫度變化的快慢，速度受到很大限制，因此該開關可用于溫度傳感裝置，在一定范圍內實現對溫度的精確探測.同時，可以預見如果該開關是基于光生載流子，其速度將大大提高，這對制作類似的全光開關有很好的指導意義.

3SPs電光開關

目前報道的SPs電光開關主要是MZ型，具體結構如圖3所示［6］.金屬層上下表面覆蓋E-O介質（BST），金屬厚度d=0.8λ，E-O介質厚度d1=d3=8λ/15，開關長度L=2000λ.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.這種開關具有很高的消光比27dB，開關速度主要取決于E-O介質對電場的響應時間；缺點是開關長度受SPs橫向傳播距離限制，且高消光比和低驅動功率不能同時滿足.根據其開關速度和結構特點，該開關不僅可以作為一個多通道開關，而且能方便地集成在基于SPs效應的光子回路中，同時能實現光隧穿、光開關和光調制等功能.

4SPs全光開關

全光開關在開關速度、信息處理等方面具有較大的優勢，在SPs納米光子器件及其集成回路中，如何做出響應快、損耗小、結構簡單的全光開關也日益重要.

4.1光柵耦合型

2004年,A.V.Krasavin等人提出了利用光柵激發和褪耦合結構的SPs全光開關［7］.開關結構如圖4所示,信號光入射至左邊的耦合光柵處，激發形成SPs，SPs沿Au/Si介面傳輸，在這段傳輸路徑中加入一段L=2.5μm的Ga薄膜，當沒有控制光照射時，Ga為固態α-Ga，表現為非金屬性質，SPs不能有效傳輸而被中斷；當有入射光照射時，Ga的上表層熔化為液態m-Ga，SPs能有效傳輸至右端褪耦合光柵，轉化為信號光輸出；需要指出的是，這個僅僅是理論上的模型，數值計算表明，該開關調制深度為80%，驅動功率約為10pJ，開關開啟時間由界面處厚度為d的Ga的熔化時間決定，大概ps量級，關閉時間由液態Ga的凝固時間決定，約為ns至μs量級.雖然該開關相對熱光開關速度較快，但由于需制作光柵，成本較高，實驗上也尚未實現，實際應用受到很大限制.

4.2棱鏡激發型

ArazYacoubian于1993年從理論上提出了棱鏡結構的SPs調制結構［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，信號光以一定角度入射時，可形成長程表面等離子體共振，此時反射極弱；當用抽運光入射到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左右.該結構在實際制作上有兩個難點：長程表面SPs波的激發對第一層PMMA的厚度很敏感，很難精確控制在1μm；其次多層膜結構中膜表面的粗糙度對SPs共振影響很大［9］.

2004年，A.V.Krasavin在實驗上實現了這種基于棱鏡結構的Ga調制SPs光開關［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中，Ga作用于SPs的傳輸過程，而這個棱鏡激發型SPs開光中Ga作用于SPs的激發環節.如圖5(b)，當沒有控制光照射，Ga處于固態α-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1064nm的控制光入射時，在MgF/Ga界面處有厚度為d的Ga處于液態m-Ga，信號光不能有效形成SPs，反射增強.該開關的開啟時間為4ps，關閉時間為20ns.這種類型的開關能在可見和近紅外波段有效調制SPs信號，帶寬可達幾十兆赫茲；但由于結構中涉及棱鏡，開關大小受限，難以集成.

4.3二維孔陣列型

半導體孔陣列結構：該開關與上述半導體SPs熱光開關極為相似［11］，是C.Janke和J.GómezRivas等人在半導體SPs熱光開關［2］基礎上，利用InSb材料的光生載流子效應，以周期性方孔陣列的InSb二維光柵為結構實現的.光柵厚度h=130μm，小孔邊長d=65μm，小孔周期D=300μm.抽運光是中心波長為780nm的Ti寶石激光，脈沖寬度為100fs，信號光為300—700μm的THz波.當抽運光照射到InSb二維光柵上時，通過光生載流子效應調節半導體材料的介電常數，調控其光柵結構的THz-SPs透射增強效應.開關速度主要取決于載流子濃度對抽運光的響應，約50ns，利用載流子壽命更短的材料有望進一步提高開關速度.該類SPs光開關結構相對簡單，速度較快，容易集成，有望實現基于SPs效應的各種超快調制器件.金膜孔陣列結構：如圖6所示，這種開關是在納米金屬小孔陣列中復合非線性聚合物光學材料3BCMU［12］，在抽運光的作用下產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生SPs現象，進而決定信號光的透射強度.該開光抽運光為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的兩個不同陣列結構的開關時間響應圖.該文獻中沒有明確報道開關時間，非線性材料的響應速度是決定開關快慢的主要因素.構造一系列這種門控SPs開關，有可能在量子通信及計算中對光信號和圖像實現多通道并行處理.

4.4光雙穩開關

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，利用類FP效應和SPs透射增強效應，其透射光出現光雙穩現象［13］.圖8是光柵結構示意圖，光柵周期d=0.75μm，狹縫寬度a=0.05μm，光柵厚度h=0.45μm.圖9是波長為0.8μm的光入射到光柵上透射強度與入射強度的關系.

2006年，G.A.Wurtz等人在實驗上發現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、514nm抽運光的作用下，其透射光出現光雙穩現象，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)抽運光波長為488nm，(d)—(f)抽運光波長為514nm.金膜厚度220nm，圓孔直徑200nm，周期：600nm，金屬膜尺寸：12×12μm2，非線性介質層厚度：200—250nm.

圖10二維金膜孔陣列在不同信號光和不同抽運光下的光雙穩現象［14］

光雙穩現象是光開關領域的研究熱點之一.用光雙穩現象研制的光開關具有結構體積小、易集成、開關速度快等特點.如何利用基于SPs效應的光雙穩現象制作出響應快、閾值低、尺寸小的光開關還有待進一步的研究.

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5總結

本文從原理上介紹了近幾年利用SPs效應研制的光開關及光調控器件，對各個SPs光開關的優缺點及相關應用進行了闡述和分析.這些開關包括熱光開關、電光開關、全光開關，無論是從開關速度或者光子回路集成角度而言，全光開關都將扮演重要角色，尤其是尚未完全實現的SPs光雙穩開關更是具有巨大的應用潛力.總體而言，以上各種SPs光開關均未完全成熟，需要在材料、結構等方面加以改進和提高，比如：在使用材料上，對于利用光生載流子效應的，采用載流子壽命更短的材料，可以提高開關速度；對于利用非線性效應的，采用非線性系數高的材料，可以降低抽運功率；在開關結構上，則應盡可能地采用形式簡單，容易集成的SPs激發或傳輸方式.未來的信息技術領域，勢必以大規模光子集成回路和全光通訊為核心技術，利用基于SPs效應，結合更優越的光學材料,設計更合理的光開關結構,實現更簡捷的控制方式，在納米尺度上實現光子器件的有效調控，具有重要意義.

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