基于表面等离子体效应的光开关研究现状和进展(2)
2017-08-22 05:11
导读：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
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.オ
本文来自中国科教评价网
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.オ
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.オ
