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

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1 引言

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

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

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

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 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 二维孔阵列型 4.4 光双稳开关

2004年，J.A.Porto从 理论 上 分析 了在一维金属光栅中填充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.

图10 二维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.

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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.