简论基于表面等离子体效应的光开关研究现状和进展

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1、简论基于表面等离子体效应的光开关研究现状和进展.freel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

2、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.

3、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.3SPs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

4、.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

5、,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.4SPs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

6、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ArazYacoubian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

7、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