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1、基于表面等离子体效应的光开关研究现状和进展系别尚德光伏学院专业光电子技术班级0904学生姓名刘东方学号100090274指导教师王华东2012年4月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AbstractGreatattentionisbeingpaidtosurfaceplas
2、mons(SPs)becauseoftheirpotentialapplicationsinsensors,datastorageandbio-photonics.Recently,moreandmoreopticalswitchesbasedonsurfaceplasmoneffectshavebeendemonstratedeitherbysimulationorexperimentally.Thisarticledescribestheprinciples,advantagesanddisadvantagesofvarioustypesofopt
3、icalswitchesbasedonSPs,inparticulartheall-opticalswitches.Keywordssurfaceplasmons,subwavelengthoptics,opticalswitch,opticalbistability,overview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一一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而极具潜力，冃前如何有效进行表而等离子体的动态调控是重耍的
4、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屮激发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.2SPs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.2.1MZ型这种光开关将
5、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lldB,适用于1.51—1.62Pm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人突破，但它在传统开关的结构屮引入SPs,利用SPs的相干相消、相干相长达到开关冃的，这种开关有利于开关体积的小型化.图1上图
6、（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）为电极接触点的放人图像;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耍结构为二维亚波长Si光栅[5],厚度100um,正方形小孔边K;70um,周期300um,适用于THz波段•如图2上图所示，由于入射波长人于小孔边长，故入射波在Si光栅表而激发SPs,SPs隧穿到光栅另一表而，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的介屯常数，影响SPs激发程度，最终控制透射量•下图为
7、相同尺寸的Si光栅和Au光栅从室温到12K变化时,在THz波段(250um—750um)的透射率变化情况.曲于金属Au的口出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Q)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
8、置，在一定范围内实现对温度的精确探测•同时，可以预见如杲该开关是基于光生载流子，其速度将大大提
