瑞士—美国联合研究小组开发的等离子激元辅助电光开关。图片来源：美国弗吉尼亚联邦大学/ Nathaniel Kinsey。

最近几十年来，在金属介电界面处的亚波长范围内对光能的限制——即等离子体激元使得各国的研究人员有望制造能够应用于信息技术和传感等应用的超小型设备。但等离子体激元具有致命弱点：等离激元的光子电子相互作用所必需的微小金属结构不可避免地导致光能的吸收和欧姆损耗。这使得设计高效实用的通过等离子体效应实现场增强和快速操作的超紧凑器件成为一个棘手的难题。

目前，由瑞士和美国的研究人员组成的一个联合研究小组设计了一种微米级的等离子激元辅助电光调制器，能够解决上述的损耗难题。研究人员并非试图将器件的等离子体损耗降至最低，而是将这些损耗计入器件设计本身。

器件的损耗问题

在等离子体激元器件中，击中金属纳米结构点表面的光波的电子成分可以激发被称为表面等离子体激元（SPP）的亚波长级电磁波，其沿着金属电介质表面传播。通过限制和引导纳米尺度的光能，等离激元器件可以打破衍射极限并且在局部增强相对较弱的入射光场。

这些优势已经在诸如基于检测表面等离子体共振的生物传感器等领域中找到了等离子体激元的用武之地。但是，在通信和光电子电路等领域中，等离子体激元更广泛的应用通常因为损耗问题而搁浅。这是因为当表面等离子体激元传播穿过金属表面时，能量不可避免地被金属吸收并转化为热量释放。

因此，尽管等离子体激元器件可以在微米长度尺度上提供实质性的调制效应，但它们也受到传播损耗大约为dB /μm量级的影响，而硅光子学的传播损耗为dB / cm的量级。但是对于片上技术，等离子体激元器件可能会产生较严重的“插入损耗”——由于添加有损等离子体激元器件而导致电路中的信号功率降低。

降低损耗的解决方法

据瑞士-美国联合研究小组报道，包括来自瑞士联邦理工学院和美国华盛顿大学、普渡大学以及弗吉尼亚联邦大学的研究人员在内的研究小组已经找到了解决电光调制器新设计损耗的办法——即采用片上开关，能够用于在电和光子能量之间进行转换。研究人员通过将等离子体激元的能量损耗视为一种特征来解决了这一难题。

该调制器由直径约3微米和数十纳米厚的金-绝缘体-金属槽波导环形谐振器组成，并且填充有有机电光材料，用于在施加的电压下控制环的谐振状态偏压。环形谐振器位于掩埋硅总线波导上方约70nm的二氧化硅衬底上。

该调制器是一个设计精妙的陷波滤波器，它使用环中的等离子体损耗来控制通过下面的硅总线波导的光传输。当环被调整到其谐振状态——开关的“关闭”状态时，环中的表面等离子体激元产生干涉，导致强烈的等离子体耦合并吸收穿过总线波导的光，并且有效地截止光的传输。当环处于非共振状态——开关的“打开”位置时，环中的表面等离子体激元破坏性地干涉；几乎所有的总线波导中的光都逃逸了等离子体耦合并且无阻碍地穿过波导。

超紧凑的电光开关

联合研究团队报告称，通过对谐振器进行的实验证实，单芯片器件可以将片上光损耗降低，工作频率超过100千兆赫，能效高、热漂移小、占地面积小。他们认为所提出的方案可能在开发用于通信和互联网技术的新兴混合芯片以及片上传感器应用中的电子和光子学之间的超紧凑电光开关方面拥有用武之地。

来源：https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2018/may/taking_advantage_of_(plasmonic)_loss/

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