基于周期性亚波长复合单元结构的表面等离子体光开关

易建基 罗晓清 陈志勇 朱卫华 王新林

（南华大学电气工程学院超快微纳技术与激光先进制造湖南省重点实验室 湖南省衡阳市 421001）

表面等离子体（Surface Plasmons,SPs）是入射光照射在金属界面时与自由电子集体振荡并沿着金属/电解质界面传播的倏逝波。SPs一般包括传输型的表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons,SPPs）和局域型的局域表面等离子体（Localized Surface Plasmon,LSP）。众所周知，周期性亚波长金属纳米结构中增强光透射特性主要源于不同的几何单元结构对形成SPs的影响[1-3]。近二十年以来，人们研究了许多不同形状的周期性亚波长孔阵列[4-6]。研究者们证实LSP共振主要由于单元结构的几何形状引起的，LSP共振也被称为形状共振[7]。其中，圆环结构可以产生回音壁共振模式响应[8]，这是由于光会沿着纳米腔的内壁连续反射进行传播，传播模式增强的同时损耗却明显降低。回音壁模式能够有效局域光子在纳米尺度下和谐振模式范围内的物质多次相互作用，同时增强物质环境的光场局域强度。因此回音壁模式广泛运用在微米/纳米器件中。最近，基于SPs效应的微纳器件在光开关、光学调制器、分光器和光传感器等领域有大量的研究。为了实现动态可控的微纳器件，研究者们通过改变光的偏振态或将超材料与光活性材料（如光活性半导体、超导体和相变材料）集成在一起，进而可控器件能够由外部激励（如光学泵浦场、温度场和电场）灵活地操纵[9-11]。然而，此类操作过于复杂，且大多只能固定在某一个波长段实现应用。Veronis G等通过在波导中设置半导体增益介质矩形腔，实现由外界泵浦光控制金属-空气-金属波导的表面等离子体光开关[12]。该结构复杂且集成难度大，同时还存在泵浦光对信号光及后续光路的干扰的问题。虽然盛佳兵等人公开了一种基于周期性亚波长圆尖端孔阵列的表面等离子体光开关，但是只存在一个开关通道并且开关比较低[13]。

在本文中，我们用FDTD仿真方法对比研究了圆环、内置纳米棒的空心圆（Core with a Rod,CR）和复合结构的增强光透射特性。其中，复合结构的CR环境的光场局域强度能够被显著地增强。通过调控入射光的偏振方向，该复合结构中纳米棒与空心圆的局域表面等离子体共振响应模式会发生相互转换。最后，我们设计了一种新型无泵浦光干扰且具有双通道的表面等离子体光开关。

1 计算模型

图1：周期性复合结构孔阵列及其单元结构示意图

图2：Px=Pz=600nm,三种结构的电场Ez空间分布图及各自对应透射率谱图。偏振方向为z轴。

图1是周期性复合结构孔阵列及其单元结构示意图。圆环的外半径R1为175nm，圆环的内半径R2为150nm；空心圆的半径r为125nm，内置纳米棒的长度L为200 nm，内置纳米棒的宽度W为25nm；单元结构的阵列周期P=Px=Pz=600nm。厚度为50nm的银膜放置在厚度为225nm的石英基底上。本文使用三维时域有限差分（Finite-difference Time-domain,FDTD）方法求解周期性复合结构金属小孔中光的传播过程[14]，时间步长和空间步长的设置满足数值稳定性条件分别为8.3 as和5 nm。采用经过修正的Drude模型描述金属银的色散特性，石英基底的介电常数为2.25。入射光采用中心波长为1550 nm的超短调制高斯脉冲，从石英基底一侧朝着y方向垂直射入。单元结构的x和z方向边界采用周期性边界条件，y方向前后的两个边界采用完全匹配层作为吸收边界条件。

图3：不同偏振方向下复合结构孔阵列的透射率谱图

2 结果与讨论

2.1 三种结构孔阵列的透射特性比较

为了了解光与复合结构孔阵列相互作用的物理机制，我们对比研究了圆环结构、CR结构以及复合结构的光透射特性。图2(a-c)所示，圆环的电荷聚集在上下两侧，形成了很强的LSP共振；而CR结构中的电场分布主要沿着纳米棒和空心圆接近的上下两端；复合结构中CR的电场强度比单独CR的电场强度强，与此同时复合结构中圆环的电场强度明显比单独圆环的电场强度低。这是因为圆环具有回音壁模式能够增强其结构内环境光场局域强度，使得CR结构局域场增强。

图2(d)描绘了FDTD数值仿真的三种结构的透射率谱图。在可见光波段，三种结构同时在620 nm处产生了透射峰。该透射峰来自于银/石英基底界面的SPP共振，其位置 可以由式（1）近似得到[15]：

其中，P是阵列周期，i和j分别是沿着x轴和z轴的散射阶数，两者均取整数；εd和εm分别为介质和金属的介电常数。从此式可知，SPP共振主要由阵列周期决定。CR结构在1445 nm处产生了透射峰，而圆环在1755nm处也产生了一个透射峰。当两种单元结构组合成复合结构时，1445 nm处的透射峰位置蓝移到1394 nm，其峰值从0.41提高到了0.68；然而1755 nm的透射峰红移到2382 nm，其峰值从0.81下降到0.26。

2.2 偏振方向对周期性复合结构孔阵列中光透射特性的影响

为进一步了解光与复合结构孔阵列的相互作用，我们用FDTD方法获得了在不同偏振光入射条件下复合结构孔阵列的透射率谱图。如图3所示，当入射光的偏振方向为45°时，在1005 nm处产生一个新的透射峰，它的峰值在偏振方向沿着x轴（90°）时达到最高；而此时处于1394 nm处的透射峰的峰值逐渐降低，它的峰值在90°时达到最低。这是因为，当偏振方向沿着z轴时，纳米棒形成了LSP共振[16]，进而主导了CR结构的共振响应模式；当偏振方向从z轴旋转到x轴时，纳米棒的LSP共振模式响应逐渐减弱直至消失，这时空心圆形成了主导CR结构的LSP共振，同时波长为2382 nm的透射峰有轻微红移与减弱。

2.3 基于周期性复合结构孔阵列的表面等离子体光开关

从上节可知，复合结构中纳米棒和空心圆的LSP共振响应模式会随着偏振方向的改变而发生相互转换。我们进而设计了一种新型双通道的表面等离子体光开关。通过改变入射光的偏振方向从z轴到x轴时，可以控制纳米棒的LSP共振响应模式的激发状态来实现开关通道的转换。该表面等离子体光开关结构紧凑易于集成量子设备，控制方便还没泵浦光影响。我们用开关比η这个性能指标来量化光开关的性能，当光开关处于“开”态时，此时的共振波长为开关波长λ0。于是，开关比可以定义为[13]：

其中，Ton和Toff分别是表面等离子体光开关在开关波长下“开”、“关”态的透射率。

图4(a)和(b)分别为光开关在偏振方向沿着x轴和z轴时的电场空间分布图。当电场方向沿着x轴时，纳米棒的共振响应模式无法激发，此时CR中的LSP共振主要是空心圆形成的；当电场方向沿着z轴方向时，CR中的共振响应模式由纳米棒形成的LSP共振主导。图4(c)绘制了光开关工作状态的透射率谱图，当光开关在开关通道1开启时，开关波长λ0处于1005 nm，偏振方向沿着x轴为“开”态（Ton为0.3583），沿着z轴方向为“关”态（Toff为0.01168），此时开关比为14.87dB。当光开关在开关通道2开启时，开关波长λ0处于1394nm，偏振方向沿着z轴为“开”态（Ton为0.6824），沿着x轴方向为“关”态（Toff为0.04864），此时开关比为11.47 dB。

图4：表面等离子体光开关在偏振方向沿着（a）x轴和（b）z轴的电场空间分布图。(c)是光开关工作状态的透射率谱图。图中的白色箭头是入射光的偏振方向。

3 结束语

本文采用FDTD仿真方法对比研究了圆环、内置纳米棒的空心圆和复合结构的增强光透射特性。结果表明，圆环激发出的回音壁共振响应模式对其腔内结构环境中的光场局域态强度有增强效应，可以增加复合结构中内置纳米棒的空心圆的透射率。通过改变偏振方向，复合结构中的纳米棒和空心圆的共振响应模式会发生转换。根据这一特性，我们设计了一种新型双通道的表面等离子体光开关。该表面等离子体光开关的开关波长可以在第一或第二光通信窗口进行转换，并且双通道的开关比都在10dB以上，具有较优异的开关性能，而且结构紧凑易于集成量子设备。该表面等离子体光开关可以应用于异质双通道逻辑门、光调制或其他基于偏振或波长通道的光信号处理。