基于表面等离子体效应的光开关研究现状和进展

《基于表面等离子体效应的光开关研究现状和进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、基于表面等离子体效应的光开关研究现状和进展作者：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(surfaceplasmons,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　　AbstractGreatattentionisbEingpaidtosurfaceplasmons(SPs)becauseoftheirpot

2、entialapplicationsinsensors,datastorageandbio-photonics.Recently,moreandmoreopticalsoneffectshavebeendemonstratedeitherbysimulationorexperimentally.Thisarticledescribestheprinciples,advantagesanddisadvantagesofvarioustypesofopticalsons,sub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

3、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

4、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

5、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=0.8λ，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

6、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.　　　　4SPs全光开关　　　　全光开关

7、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