基于表面等离子体效应的光开关研究现状和进展
2017-08-22 05:11
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作者：陈 聪 王 沛 苑光辉 王小蕾 闵长俊 邓 燕 鲁
作者：陈 聪 王 沛 苑光辉 王小蕾 闵长俊 邓 燕 鲁拥华 明 海
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, 综述おお
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
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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.
（转载自科教范文网http://fw.nseac.com） 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.オ
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维亚波长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.
