基于表面等离子体效应的光开关研究现状和进展
摘 要目前表面等离子体(surface plasmons, SPs)效应在光传感、光存储及生物光子学等领域的应用前景受到了广泛关注，通过计算模拟或实验基于SPs效应的光开关也层出不穷.文章较为系统地介绍了各种基于SPs效应的光开关原理和优缺点，对SPs全光开关做了重点介绍.
关键词表面等离子体亚波长光学, 光开关, 光双稳, 综述
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 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, optical bistability, overview
1 引言
表面等离子体是局域在金属表面、沿表面传播的一种电磁波，通过构造金属表面的结构，可以在纳米尺度下控制表面等离子体的激发和传播——特别是它与光的相互耦合［1］.这种可调控性在新型光子学，尤其是亚波长光子器件的设计应用方面极具潜力，目前如何有效进行表面等离子体的动态调控是重要的研究方向，最主要的就是实现基于表面等离子体效应的光开关(下面简称SPs光开关).SPs光开关是在开关结构中激发SPs，通过改变外部条件影响SPs的激发或传输特性，进而达到开关效果的一种新型光开关.随着制作工艺的不断成熟，SPs光开关利用新的物理机理和物理结构，可在小于衍射极限尺度内实现光的控制，在纳米尺度上实现光子器件的集成［2］，因此SPs光开关在速度和尺寸及驱动功率方面具有独特优势.目前报道的SPs光开关类型主要有热光开光、电光开光及全光开光等.
2 SPs热光开关
一般而言，热光开关的速度相对较慢，主要有以下两种SPs热光开关.
2.1 MZ型
这种光开关将金膜夹在BCB（苯并环丁烯）介质层中［3］，通过电极加热，调控SPs-M-Z结构中一臂的介电常数，影响在两路传播的SPs在节点处的耦合条件，最终控制信号输出情况，如图1所示.该开关消光比可达35dB，插入损耗11dB，适用于1.51—1.62μm波段，由于是利用热光效应，开关速度较慢，为0.7ms.根据以上特点，该光开关可用作数字光开关，作为宽带宽光子网络中的空间可分离开关［4］.虽然这种MZ型SPs光开关并没有在设计思路上有重大突破，但它在传统开关的结构中引入SPs，利用SPs的相干相消、相干相长达到开关目的，这种开关有利于开关体积的小型化.
图1 上图（a）为马赫-曾德干涉调制（MZIM）结构，（b）为定向耦合开关（DCS）结构，（c）为光学显微镜下的结构，（d）为电极接触点的放大图像；下图为输出强度随所加电压大小的变化曲线［3］
2.2 半导体孔阵列型
该开关的主要结构为二文亚波长Si光栅［5］，厚度100μm，正方形小孔边长70μm，周期300μm，适用于THz波段.如图2上图所示，由于入射波长大于小孔边长，故入射波在Si光栅表面激发SPs，SPs隧穿到光栅另一表面，然后褪耦合出射.当改变Si光栅的温度，调节半导体内的自由载流子浓度，进而改变Si的介电常数，影响SPs激发程度，最终控制透射量.下图为相同尺寸的Si光栅和Au光栅从室温到12K变化时，在THz波段（250μm—750μm）的透射率变化情况.由于金属Au的自由载流子浓度随温度变化不大，因而其透过率基本不变；而对于Si光栅，同一波长，不同温度，其透过率变化十分明显，尤其在THz波段.
图2 上图为半导体孔阵列开关工作原理示意图; 下图(a)为Si光栅,(b)为Au光栅在不同温度下THz波段的透射率变化［5］
这种半导体材料做成的SPs热光开关必须要求适用波段的波长大于光栅小孔尺寸，且基于热激发载流子，开关时间取决于半导体材料对温度的响应和温度变化的快慢，速度受到很大限制，因此该开关可用于温度传感装置，在一定范围内实现对温度的精确探测.同时，可以预见如果该开关是基于光生载流子，其速度将大大提高，这对制作类似的全光开关有很好的指导意义.
3 SPs电光开关
目前报道的SPs电光开关主要是MZ型，具体结构如图3所示［6］.金属层上下表面覆盖E-O介质（BST），金属厚度d=0.8λ，E-O介质厚度d1=d3=8λ/15，开关长度L=2000λ.在金属层上下表面存在以金属层为中心的对称和反对称两个传播模式，当不加偏压时，这两个模式在金属层上表面相干相长，而下表面相干相消，故SPs从上通道输出；当加上偏压（V=59kV/cm）时，由于电场对对称和反对称SPs模式的传播常数影响不同，使之在上表面相消，而下表面相长，从而将SPs切换到下表面输出.这种开关具有很高的消光比27dB，开关速度主要取决于E-O介质对电场的响应时间；缺点是开关长度受SPs横向传播距离限制，且高消光比和低驱动功率不能同时满足.根据其开关速度和结构特点，该开关不仅可以作为一个多通道开关，而且能方便地集成在基于SPs效应的光子回路中，同时能实现光隧穿、光开关和光调制等功能.
4 SPs全光开关
全光开关在开关速度、信息处理等方面具有较大的优势，在SPs纳米光子器件及其集成回路中，如何做出响应快、损耗小、结构简单的全光开关也日益重要.
4.1 光栅耦合型
2004年,A.V.Krasavin等人提出了利用光栅激发和褪耦合结构的SPs全光开关［7］.开关结构如图4所示,信号光入射至左边的耦合光栅处，激发形成SPs，SPs沿Au/Si介面传输，在这段传输路径中加入一段L=2.5μm的Ga薄膜，当没有控制光照射时，Ga为固态α-Ga，表现为非金属性质，SPs不能有效传输而被中断；当有入射光照射时，Ga的上表层熔化为液态m-Ga，SPs能有效传输至右端褪耦合光栅，转化为信号光输出；需要指出的是，这个仅仅是理论上的模型，数值计算表明，该开关调制深度为80%，驱动功率约为10pJ，开关开启时间由界面处厚度为d的Ga的熔化时间决定，大概ps量级，关闭时间由液态Ga的凝固时间决定，约为ns至μs量级.虽然该开关相对热光开关速度较快，但由于需制作光栅，成本较高，实验上也尚未实现，实际应用受到很大限制.
4.2 棱镜激发型
Araz Yacoubian于1993年从理论上提出了棱镜结构的SPs调制结构［8］,在SF1棱镜底部分别镀1μm的PMMA、20nm的Ag膜和半无限厚的PMMA-DR1，信号光以一定角度入射时，可形成长程表面等离子体共振，此时反射极弱；当用抽运光入射到PMMA-DR1，改变PMMA-DR1的折射率-0.0012，则可移动该共振角约0.05度，使反射率从0左右跃至0.7左右.该结构在实际制作上有两个难点：长程表面SPs波的激发对第一层PMMA的厚度很敏感，很难精确控制在1μm；其次多层膜结构中膜表面的粗糙度对SPs共振影响很大［9］.
2004年，A.V.Krasavin在实验上实现了这种基于棱镜结构的Ga调制SPs光开关［10］.如图5所示，在棱镜底部镀一层厚度为185nm的MgF2，再镀一层Ga.在上述光栅耦合型开关中，Ga作用于SPs的传输过程，而这个棱镜激发型SPs开光中Ga作用于SPs的激发环节.如图5(b)，当没有控制光照射，Ga处于固态α-Ga，780nm信号光在MgF2/Ga界面上形成SPs，因此反射减弱 ；如图5(c)，当1064nm的控制光入射时，在MgF/Ga界面处有厚度为d的Ga处于液态m-Ga，信号光不能有效形成SPs，反射增强.该开关的开启时间为4ps，关闭时间为20ns.这种类型的开关能在可见和近红外波段有效调制SPs信号，带宽可达几十兆赫兹；但由于结构中涉及棱镜，开关大小受限，难以集成.
4.3 二文孔阵列型
半导体孔阵列结构：该开关与上述半导体SPs热光开关极为相似［11］，是C.Janke和J.Gómez Rivas等人在半导体SPs热光开关［2］基础上，利用InSb材料的光生载流子效应，以周期性方孔阵列的InSb二文光栅为结构实现的.光栅厚度h=130μm，小孔边长d=65μm，小孔周期D=300μm.抽运光是中心波长为780nm的Ti宝石激光，脉冲宽度为100fs，信号光为300—700μm的THz波.当抽运光照射到InSb二文光栅上时，通过光生载流子效应调节半导体材料的介电常数，调控其光栅结构的THz-SPs透射增强效应.开关速度主要取决于载流子浓度对抽运光的响应，约50ns，利用载流子寿命更短的材料有望进一步提高开关速度.该类SPs光开关结构相对简单，速度较快，容易集成，有望实现基于SPs效应的各种超快调制器件.
金膜孔阵列结构：如图6所示，这种开关是在纳米金属小孔阵列中复合非线性聚合物光学材料3BCMU［12］，在抽运光的作用下产生光致非线性折射率变化，影响信号光能否在二文金属孔阵列中产生SPs现象，进而决定信号光的透射强度.该开光抽运光为488nm的Ar离子激光，斩波频率1.2kHz，信号光为633nm的He-Ne激光.图7为小孔半径分别为20nm和100nm的两个不同阵列结构的开关时间响应图.该文献中没有明确报道开关时间，非线性材料的响应速度是决定开关快慢的主要因素.构造一系列这种门控SPs开关，有可能在量子通信及计算中对光信号和图像实现多通道并行处理.
4.4 光双稳开关
2004年，J.A.Porto从理论上分析了在一文金属光栅中填充Kerr非线性介质，利用类FP效应和SPs透射增强效应，其透射光出现光双稳现象［13］.图8是光栅结构示意图，光栅周期d=0.75μm，狭缝宽度a=0.05μm，光栅厚度h=0.45μm.图9是波长为0.8μm的光入射到光栅上透射强度与入射强度的关系.
2006年，G.A.Wurtz等人在实验上发现在周期性纳米圆孔阵列的金属薄膜表面涂上3BCMU非线性聚合物后［14］，以620nm、690nm和750nm作为信号光，分别在488nm、514nm抽运光的作用下，其透射光出现光双稳现象，如图10所示，(a)(d)信号光波长为620nm，(b)(e)信号光波长为690nm，(c)(f)信号光波长为750nm；(a)—(c)抽运光波长为488nm，(d)—(f)抽运光波长为514nm.金膜厚度220nm，圆孔直径200nm，周期：600nm，金属膜尺寸：12×12μm2，非线性介质层厚度：200—250nm.
图10 二文金膜孔阵列在不同信号光和不同抽运光下的光双稳现象［14］
光双稳现象是光开关领域的研究热点之一.用光双稳现象研制的光开关具有结构体积小、易集成、开关速度快等特点.如何利用基于SPs效应的光双稳现象制作出响应快、阈值低、尺寸小的光开关还有待进一步的研究.
5 总结
本文从原理上介绍了近几年利用SPs效应研制的光开关及光调控器件，对各个SPs光开关的优缺点及相关应用进行了阐述和分析.这些开关包括热光开关、电光开关、全光开关，无论是从开关速度或者光子回路集成角度而言，全光开关都将扮演重要角色，尤其是尚未完全实现的SPs光双稳开关更是具有巨大的应用潜力.总体而言，以上各种SPs光开关均未完全成熟，需要在材料、结构等方面加以改进和提高，比如：在使用材料上，对于利用光生载流子效应的，采用载http://www.751com.cn/流子寿命更短的材料，可以提高开关速度；对于利用非线性效应的，采用非线性系数高的材料，可以降低抽运功率；在开关结构上，则应尽可能地采用形式简单，容易集成的SPs激发或传输方式.未来的信息技术领域，势必以大规模光子集成回路和全光通讯为核心技术，利用基于SPs效应，结合更优越的光学材料,设计更合理的光开关结构,实现更简捷的控制方式，在纳米尺度上实现光子器件的有效调控，具有重要意义.
参考文献
［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, 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. Phys. 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］ Smolyaninov I I, Zayats A V et al. Phys. Rev. B, 2002,66:205414
［13］ Porto J A, Martín-Moreno L et al. Phys. Rev. B, 2004,70:081402
［14］ Wurtz G A, Pollard R, Zayats A V. Phys.Rev.Lett., 2006,97:057402