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--> --> -->以光信号处理为目的的表面等离激元调制工作一般可以分为两类, 一类基于对局域表面等离激元的调制, 另一类基于对传播表面等离激元的调制. 对局域表面等离激元的调制, 通常基于衬底上的金属纳米结构或溶液中的金属纳米颗粒, 通过外界手段改变介质的折射率, 使局域表面等离激元的共振峰发生移动, 从而实现对光信号的调制[12—16]. 本文主要讨论的是对传播表面等离激元的调制, 这种调制是实现纳米光子回路中光信息处理的重要基础. 对于传播的表面等离激元, 可以通过波矢描述其传播行为. 表面等离激元的波矢会受到金属和介质介电函数的极大影响, 对于二维无限大的金属-介质交界面上的表面等离激元, 沿界面传播的表面等离激元的波矢为[6]
对于传播表面等离激元调制器的性能评价可以从以下几个方面入手: 1)工作波长, 反映器件所能调制的表面等离激元信号的频率和带宽, 理想的表面等离激元调制器应当在较宽的波长范围内实现调制; 2)调制幅度, 反映了对表面等离激元信号的调制强度, 一般可以通过调制深度(modulation depth, MD)或消光比(extinction ratio, ER) 来反映, 调制深度和消光比的常用表达式分别为








调制类型 | 调制原理 |
全光调制 | 激发和干涉调制; 光学材料调制(增益/损耗介质调制、非线性光学材料调制、光致变色材料调制、光调制波导介电函数); 光学力操控调制 |
热调制 | 热光效应调制; 相变效应调制 |
电调制 | 电光调制(线性电光效应调制、二次电光效应调制); 载流子调制(电调制半导体载流子、电调制石墨烯载流子); 电致变色材料调制; 纳机电调制 |
磁调制 | 磁光效应调制 |
表1传播表面等离激元调制的原理
Table1.Principles of modulating propagating surface plasmons.
对于某些类型的等离激元波导, 通过改变入射光的偏振可以有选择地激发不同的表面等离激元模式, 这些模式在波导上的传播特性存在差别. 通过激发特定的表面等离激元模式或是利用不同模式之间的叠加, 可以控制表面等离激元在波导或波导组成的网络结构中的传播, 从而实现对表面等离激元的调制. 例如, 金属纳米线结构是一种常用的等离激元波导, 支持多个表面等离激元传播模式[5,20,21], 改变入射光偏振可以在金属纳米线上激发不同的表面等离激元模式, 利用多个模式在金属纳米线上的叠加可以实现表面等离激元的手性传播[21], 并可以在金属纳米线网络结构中实现光路由器的功能[22—24]. 当使用圆偏振光激发金属纳米线时, 光的自旋-轨道耦合可以使不同圆偏振方向的入射光在纳米线上产生沿不同路径传播的表面等离激元, 实现光的自旋路由功能[25]. 当不同相位的入射光同时激发多束传播的表面等离激元时, 多束表面等离激元可以在波导网络结构中发生干涉, 从而实现对表面等离激元信号的调制[26,27]. 2011年, Wei等[26]在银纳米线组成的网络结构上实现了基于干涉的表面等离激元调制(图1(a)). 通过改变图1(a)左图所示的两个激发端I1和I2上的入射光之间的相位差, 两束传播的表面等离激元的干涉使出射端O处的散射强度随入射光相位差发生如图1(a)右图所示的周期性变化, 其消光比可达10 dB以上. 除了金属纳米线外, 金属槽等离激元波导结构也可以实现类似的调制功能[28,29]. 图1(b)为计算的银薄膜中的槽状等离激元纳米波导结构在两束入射光激发下的电场强度分布, 左图和右图分别对应于相位差为



Figure1. Modulation of propagating surface plasmons based on interference: (a) Interferometric modulation of surface plasmons in silver nanowire network[26]; (b) interferometric modulation of surface plasmons in nanoslot waveguide network in silver film[28]; (c) interferometric modulation of surface plasmons in silver strip waveguides[30].
基于表面等离激元对周围介质环境十分敏感的性质, 可以利用光学材料对光信号的响应来调控表面等离激元的传播. 这些材料包括量子点、染料分子、稀土离子、非线性光学材料等, 可以作为介质层覆盖在表面等离激元波导结构上. 量子点通常为直径几纳米到几十纳米的半导体球状颗粒. 由于量子点可以与波导中传播的表面等离激元相互作用[32,33], 利用控制光调控量子点的激发状态来控制量子点对表面等离激元的吸收或增益, 便可以实现对表面等离激元强度的调制[34,35]. 2007年, Pacifici等[34]利用硒化镉(CdSe)量子点的激发态带内跃迁对表面等离激元的吸收实现了低能量密度(~102 W/cm2)和微米尺度上的表面等离激元强度调制. 如图2(a)所示, 两束不同波长的激光(信号光和控制光)同时照射在银薄膜表面并在狭缝处激发沿金属表面传播的等离激元. 在表面等离激元的传播过程中, 控制光激发量子点中的电子-空穴对, 处于激发态的电子可以通过带内跃迁过程吸收信号光激发的表面等离激元, 从而降低表面等离激元的强度, 实现对表面等离激元的调制. 量子点的激子复合时间在纳秒级别, 因此这种器件具有很高的调制频率. 该器件在3.6 μm的调制区域上对信号的调制深度约为10%. 2009年, Grandidier等[35]利用硫化铅(PbS)量子点补偿表面等离激元传播中的能量损耗, 使表面等离激元的传播长度增加了27%. 铒离子(Er3+)、染料分子、半导体材料等作为常见的表面等离激元增益材料, 在抽运光作用下也可以对传播的表面等离激元产生增益作用, 从而实现对表面等离激元强度的调制[36—39]. 2011年, Krasavin等[39]在掺杂Er3+离子的等离激元波导结构中实现了传播表面等离激元的强度调制(图2(b)). 980 nm的抽运光和1550 nm的信号光同时照射在掺杂Er3+离子的磷酸铝玻璃表面的金膜上, 同时激发两束沿着金属和玻璃界面传播的表面等离激元. Er3+离子存在4I15/2, 4I13/2和4I11/2三个能级, 抽运光所激发的表面等离激元通过共振吸收可以使Er3+离子从基态4I15/2跃迁到激发态4I11/2, 而后再通过声子弛豫到4I13/2态, 导致4I13/2和4I15/2两个能级上的粒子数发生反转, 这两个能级之间的跃迁与信号光激发的表面等离激元共振, 抑制了对信号光的吸收并产生受激辐射, 从而实现对表面等离激元强度的调制.

Figure2. All-optical modulation of propagating surface plasmons based on optical materials: (a) Modulating surface plasmons by CdSe quantum dots[34]; (b) modulating surface plasmons via stimulated emission of copropagating surface plasmons on a Er3+-doped glass substrate[39]; (c) modulating surface plasmons based on nonlinear optical material[41]; (d) modulating surface plasmons based on photorefractive polymer film[44]; (e) modulating surface plasmons by photochromic molecules[48].
利用非线性光学材料也可以实现对表面等离激元传播的调制, 这种调制利用了非线性光学材料的折射率会随入射光强度变化而改变的性质. 由于介质折射率的变化会对表面等离激元的相位产生调制, 通常可以在等离激元波导旁放置非线性材料构成的谐振腔[40,41], 或是将非线性介质覆盖在马赫-曾德干涉仪(Mach-Zehnder interferometer, MZI)一侧的波导上, 来实现表面等离激元传播的调制[42]. 2011年, Lu等[41]在金属槽等离激元波导结构的侧面引入了非线性光学材料(Ag-BaO)构成盘状谐振腔(图2(c)), 通过计算模拟研究了光信号控制下的表面等离激元调制. 通过控制照射在谐振腔上的抽运光强度, 可以使非线性材料折射率发生变化, 从而改变谐振腔所支持的等离激元模式, 并影响金属槽波导中传播的表面等离激元与谐振腔的耦合效率, 实现表面等离激元信号的调制. 在功率密度为650 MW/cm2, 波长为820 nm的抽运光照射下, 波长为563 nm的信号光激发的表面等离激元消光比可达12 dB. 由于Ag-BaO材料的非线性响应在210 fs以内, 因此基于这种非线性材料的调制器可支持超高调制频率. 然而由于该方法所需的抽运光功率较高, 其实用性受到了很大限制. 光折变聚合物也是一类可用于表面等离激元调制的非线性光学材料, 其折射率在光照下会发生变化[43]. 2011年, Chen等[44]报道了一种基于光折变聚合物的表面等离激元调制器(图2(d)). 掺杂了偶氮苯(azobenzene)的聚合物材料覆盖在法布里-珀罗腔中并通过波长为532 nm的抽运光改变其折射率. 波长在720—900 nm范围内可调的信号光在衬底另一侧的狭缝处激发表面等离激元在法布里-珀罗腔中传播, 谐振腔折射率的改变影响了向谐振腔左侧传播的表面等离激元的强度, 并最终影响了光栅处的表面等离激元散射光信号的强度. 在500 W/cm2的抽运光强度下, 散射光信号消光比可达20 dB以上. 器件的响应时间约为1 ms, 这取决于光折变聚合物材料对光的响应速度[45].
光致变色分子在光诱导下可以在两种不同的构型之间变化, 并引起其吸收和发射光谱以及折射率的改变[46,47]. 通过将光致变色分子与聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate, PMMA)等聚合物材料混合, 可以将其集成于等离激元波导器件中以用于对表面等离激元的调制[48,49]. 2008年, Pala等[48]在实验中利用光致变色分子(spiropyran)实现了表面等离激元传播的调制(图2(e)). 作者将spiropyran混合在PMMA中旋涂在玻璃衬底表面的铝膜上, 通过PMMA膜的厚度来控制光致变色分子的数量. 在6.0 mW/cm2的紫外控制光照射下, 光致变色分子的构型发生变化, 导致覆盖层复折射率的虚部产生0.035的变化, 从而使波长633 nm的激光激发的表面等离激元的传播长度缩短, 调制深度为77% (6 dB), 计算结果表明利用光致变色分子可使表面等离激元强度的调制深度达到99% (20 dB).
除了对等离激元波导周围介质进行调制外, 利用光信号调控等离激元波导本身的介电函数也可以实现对表面等离激元传播的调制. 2009年, MacDonald等[50]在金属铝等离激元波导上实现了表面等离激元传播的飞秒脉冲激光调制(图3(a)). 波长为780 nm脉冲宽度为200 fs的信号光在光栅处激发沿铝和二氧化硅的界面传播的表面等离激元. 当另一束特定偏振的同样波长和脉冲宽度的控制光照射在铝表面时, 由于其波长接近铝的带间跃迁吸收波长, 铝对控制光的吸收会导致其折射率发生改变, 从而对表面等离激元的传播产生调制, 调制深度可达7.5%. 通过改变控制光和信号光之间的延迟, 发现这种调制的响应时间在飞秒量级.

Figure3. (a) Ultrafast optical modulation of surface plasmons by changing the dielectric function of aluminum[50]; (b) optical modulation of surface plasmons by controlling the position of a nanoparticle through optical force[53].
利用光学力控制纳米颗粒的运动[51,52], 从而调控纳米颗粒对表面等离激元的散射, 也是实现表面等离激元全光调制的手段之一[20,53]. 2014年, Shalin等[53]提出了利用光学力操控金属V型槽等离激元波导中的银-二氧化钛核壳纳米颗粒运动对表面等离激元传播进行调制的方法(图3(b)). 由于纳米颗粒在V形槽中位置的不同会对波导中传播的表面等离激元产生不同强度的散射, 因此通过控制光操控纳米颗粒的位置可以有效地对表面等离激元的强度进行调制. 操控波导中的单个纳米颗粒可以产生至多10%的等离激元信号调制深度, 响应时间理论可达纳秒级别. 这种光学力操控方法也可用于对金属纳米线波导中的表面等离激元传播进行调制. 将银纳米颗粒放置在银纳米线旁会导致银纳米线中传播的表面等离激元发生模式转换, 从而影响表面等离激元在银纳米线网络结构中的传播, 通过改变纳米颗粒的位置可以实现对表面等离激元传播的调制[20].
实现基于热效应的表面等离激元调制的关键在于如何控制热的产生. 对入射光的吸收可以使材料产生热效应并实现特定区域上温度的快速上升, 是调控等离激元结构温度的一种重要手段. 最初基于热光效应的表面等离激元的调制就是利用控制光加热的方法实现的. 1993年, Okamoto等[54]将掺杂染料分子的聚合物材料覆盖在银薄膜表面, 通过控制光照射改变覆盖层温度并引起聚合物材料折射率的变化, 如图4(a)所示, 从而对信号光的表面等离激元激发条件产生影响, 导致其反射光强度发生变化, 调制前后信号强度比为1∶20. 由于该结构尺寸较大, 温度达到平衡态所需的时间较长, 因此其调制周期在数秒级别. 热光系数(thermo-optic coefficient, TOC)是光学材料折射率随温度的变化率, 为了提高器件的响应速度并降低加热所需的能量, 除了将器件尺寸缩小外, 还可以选择具有更高热光系数的材料. 人们对不同材料的热光系数及其他相关参数, 如热导率、热容等热学参数进行了研究[55,56], 与硅不同的是, 某些聚合物材料如PMMA和苯并环丁烯(benzocyclobutene, BCB)在具有高热光系数(







Figure4. Modulation of propagating surface plasmons based on thermo-optic effect: (a) Modulating surface plasmons based on thermo-optic effect of dye-doped polymer film[54]; (b) modulating surface plasmons on dielectric-loaded plasmonic waveguides based on thermo-optic effect of gold nanoparticle-doped polymer[57]; (c) modulating surface plasmons by thermo-optic effect of electrically heated polymer surrounding gold stripe waveguides[59]; (d) modulating surface plasmons by thermo-optic effect of the electrically heated polymer in dielectric-loaded plasmonic waveguides[61]; (e) modulating surface plasmons by thermo-optic effect of electrically heated polymer surrounding flexible silver stripe waveguides[64]; (f) modulating surface plasmons on silver nanowires based on thermo-optic effect of silver and glycerol[68].
除将热光材料作为等离激元波导周围的介质外, 人们还研究了等离激元波导中金属本身的热光效应所导致的介电函数变化对表面等离激元传播的影响[65—67]. 金属的温度变化可以由热传导、电阻加热以及表面等离激元的热耗散产生. 作为常用于等离激元波导结构中的金属材料, 金的热光系数为

由于热光材料的折射率变化幅度与温度变化幅度相关, 因此增加信号调制幅度时所需的外界驱动能量也随之增加. 此外, 器件的响应速度受材料对外界驱动信号响应速度的影响, 通常难以实现高速的等离激元调制. 相变材料在特定温度下会发生相变, 可以在极短时间内完成原子排列的转变, 从而改变其光学和电学特性, 在光电领域有多方面的应用[69—71]. 由于相变只发生在特定的临界温度, 因此只需控制材料温度在临界值附近产生变化即可实现工作状态的切换, 从而降低了对外界输入能量强度的要求, 并提高了器件的灵敏度和响应速度. 2004年, Krasavin等[72]提出在金薄膜上利用镓(Ga)的相变实现皮秒级的表面等离激元传播的调制(图5(a)). Ga可以通过热传导或光吸收加热的方法改变相态, 相变将导致极大的介电函数变化. 计算模拟表明1550 nm波长处, Ga在两种相下的介电函数之比可达7. 巨大的介电函数改变可以实现超过80%的等离激元调制深度, 并且响应时间可达2—4 ps, 理论上这种相变材料可以支持超高频的等离激元调制. 人们研究了多种基于相变材料的等离激元调制器. 二氧化钒(VO2)的相变温度是68 ℃, 这种材料相变前后分别表现出绝缘体和金属的特性, 这两种不同的相在近红外波段的吸收有明显差别[73—75]. 2016年, Jostmeier等[74]利用VO2的这种特性实现了金薄膜表面等离激元的调制. 锗(Ge)、锑(Sb)、碲(Te)组成的合金材料是另一类有广泛应用的相变材料, 其晶体形态和非晶形态的转变可以通过不同强度的脉冲激光加热来控制[70]. 由于脉冲光加热的控制方法可以大大提升材料温度的转变速度, 因此极大地提升了器件所支持的调制频率. 2015年, Rude等[76]利用Ge2Sb2Te5合金材料在带状等离激元波导上实现了对传播的表面等离激元信号的调制(图5(b)). 等离激元波导工作在1550 nm的通信波长, 相变材料层覆盖在金等离激元波导的上方, 通过波长为975 nm的脉冲光(脉冲宽度为300 ns)可以控制Ge2Sb2Te5材料从非晶态转变为晶体态. 在功率为23 mW的脉冲光照射下, Ge2Sb2Te5材料发生相变并且折射率由4.7 + 0.2i变为7 + 2i, 从而使传播的表面等离激元在右侧光栅处散射的信号强度调制达到31%, 如图5(b)右图所示. 进一步增加激光功率可以使Ge2Sb2Te5材料回到非晶态, 其循环周期在1 μs以内.

Figure5. Modulation of propagating surface plasmons based on phase change materials: (a) Modulating surface plasmons by the phase change of gallium[72]; (b) modulating surface plasmons by the phase change of Ge2Sb2Te5[76].
1988年, Schildkraut等[81]理论研究了线性电光效应在表面等离激元调制中的应用. 作者利用全内反射激发金属与电光材料界面处传播的表面等离激元, 当对电光材料施加100 V的电压时, 线性电光效应所产生的介质折射率改变可以影响表面等离激元的共振条件, 对反射光信号强度产生影响, 模拟结果表明反射光的相对强度产生了从0到0.84的巨大变化. 材料电光效应的强弱取决于其电光系数, 高电光系数的材料在同样幅度的电场驱动下折射率变化更大, 从而降低了对驱动能量的要求, 因此寻找具有高电光系数的材料对进一步提高这类等离激元调制器的性能有重要意义. 极化聚合物材料是一类具有高电光系数的材料, 常被应用于等离激元调制器中[82—85]. 2014年, Melikyan等[85]在实验中实现了基于极化聚合物材料线性电光效应的高速等离激元相位调制器(图6(a)). 这种聚合物材料覆盖在金膜上的槽状等离激元波导上并填满整个槽状波导, 波导两侧的金属作为电极在电信号驱动下在槽中产生电场, 使填充在槽中的电光介质受到电场作用, 电光效应导致介质的折射率改变并调制了表面等离激元的传播. 在0.1 V的驱动电压下, 该器件可以使金属槽波导中传播的表面等离激元产生0.01弧度的相位改变. 这种器件的调制频率高达65 GHz, 可以在1480—1600 nm的波长范围内工作. 2015年, Haffner等[86]制作了高集成度的MZI型表面等离激元调制器(图6(b)). 该器件将硅波导与表面等离激元相位调制器集成在一起, 通过三维器件加工的方法制作了桥状金属电极, 对两条等离激元波导施加相反的控制电压来对狭缝中填充的电光介质(DLD-164)加以调制, 从而使两条波导中传播的等离激元产生相位差, 并最终反映在干涉信号的强度上. 该调制器的工作区域长度仅6 μm, 消光比可达6 dB, 调制频率可达70 GHz以上. 近年来研究者们不断优化基于线性电光效应的等离激元调制器, 实现了多种支持高调制频率的低损耗等离激元调制器[87—89], 其中部分器件的调制频率超过100 GHz[88,89].

Figure6. Modulation of propagating surface plasmons based on electro-optic effect: (a) Modulating surface plasmons based on the Pockels electro-optic effect of polymer[85]; (b) plasmonic MZI modulator based on the Pockels electro-optic effect of DLD-164[86]; (c) modulating surface plasmons based on the Kerr effect of liquid crystal[90]; (d) modulating surface plasmons based on the Kerr effect of barium titanate film[92].
基于二次电光效应的等离激元调制器主要利用铁电材料、液晶材料等二次电光效应材料, 这些材料中的分子或晶体极化方向在外电场作用下会发生转变, 从而对材料的折射率产生与电场强度平方成正比的调制[90—93]. 2011年, Smalley等[90]设计了基于液晶材料的等离激元调制器(图6(c)). 表面等离激元沿着银薄膜和液晶材料的界面传播, 通过对液晶材料施加电信号调控其折射率, 便可以对表面等离激元的传播进行调制. 这种调制可以通过传播的表面等离激元与参考光信号的干涉来进行表征. 2008年, Dicken等[92]利用钛酸钡(BaTiO3)的二次电光效应实现了对表面等离激元传播的调制. 银膜表面加工了多组具有不同间距的狭缝, 狭缝处所激发的表面等离激元可以沿着银膜和电光介质的界面传播并在另一条狭缝处与透射光发生干涉, 从而影响透射信号的强度(图6(d)). 通过对不同间距的狭缝上透射光信号的强度变化与电光介质上所施加的电压强度进行分析, 便可以得出不同电场强度下电光介质对传播的表面等离激元的相位调制幅度. 当施加在电光介质上的电压为30 V时, 介质在垂直和平行于电场的两个方向上会产生0.03的折射率差, 对波长为688 nm的透射光信号的调制深度约为15%.
对于硅和氧化铟锡(indium tin oxide, ITO)等半导体或氧化物材料, 当施加外电场时材料的载流子浓度会发生变化, 从而影响其折射率. 2009年, Dionne等[94]报道了一种基于金属-氧化物-硅(metal-oxide-silicon, MOS)结构的等离激元场效应调制器(图7(a)). 在这种场效应晶体管结构中, 两层银膜覆盖在硅-二氧化硅结构的两侧, 并分别用于光信号的激发和收集, 外电压借助两侧的银膜施加在介质层上. 这种波导结构中同时存在着等离激元模式和光学模式, 两种模式会沿波导传播并从下层的狭缝中耦合出来发生干涉. 当对介质层施加电场时, 硅层中载流子浓度发生变化并导致其折射率改变, 使光学模式被显著地截止. 两种模式在出射端的干涉信号的消光比可达4.56 dB, 调制频率远高于100 kHz, 可用于实现更高频的等离激元调制器. 2013年, Zhu等[95]研究了基于铜-二氧化硅-硅-二氧化硅-铜结构的传播表面等离激元相位调制(图7(b)). 该器件通过对MZI的一条臂施加电压来调制硅芯层的载流子浓度, 使其折射率发生改变, 从而实现对传播的表面等离激元的相位调制. 在1 μm的工作区域和6 V的驱动电压下, 当调制频率分别为10 kHz和10 MHz时, 出射端信号的消光比分别为9 dB和2.4 dB. 与硅相比, ITO的介电函数受载流子浓度变化的影响更为明显[96], 从而可以用于设计更为灵敏的等离激元调制器. 2012年, Sorger等[97]在等离激元MOS波导结构中利用电信号调控ITO层的载流子浓度, 实现了基于表面等离激元的光信号调制(图7(c)). 如图7(c)左图所示, 硅波导上覆盖了一定长度(5 μm或20 μm)的ITO-SiO2-Au结构, 构成了等离激元MOS波导结构. 图7(c)右图的电场分布模拟结果表明, 表面等离激元的存在导致电场主要集中在ITO层中, 从而增强了ITO层折射率虚部的变化对表面等离激元传播的影响, 并最终对光信号产生了调制. 该器件可以实现1 dB/μm的消光比, 其支持的波长范围从1200 nm到2200 nm, 并且其理论调制频率可达THz以上.

Figure7. Plasmonic modulators based on the control of carrier concentration: (a) Plasmonic modulator based on MOS structure by tuning the carrier concentration in Si[94]; (b) plasmonic modulator based on metal-insulator-silicon-insulator-metal structure by tuning the carrier concentration in the Si core[95]; (c) plasmonic modulator based on tuning the carrier concentration in ITO[97].
石墨烯具有超高的载流子迁移率, 可以满足电光调制器的高调制速率、高带宽、小型化的需求. 通过施加电信号调控石墨烯的载流子浓度和费米能级, 可以对其泡利阻塞效应进行调控[98], 从而影响石墨烯对表面等离激元的吸收率, 并实现对表面等离激元强度的调制[99—102]. 2014年, Qian等[99]利用石墨烯-银纳米线复合结构(图8(a)), 通过外加电压实现了可见光波段银纳米线上传播表面等离激元的调制. 在这种复合结构中, 表面等离激元电场主要分布在石墨烯与纳米线的交界面, 从而有效增强了表面等离激元与石墨烯的相互作用. 当施加在石墨烯上的驱动电压处于–30 V到20 V的范围时, 石墨烯的泡利阻塞效应抑制了对特定波长的光的吸收, 从而实现了可见光波段的表面等离激元强度调制, 消光比可达3 dB. 2015年, Ansell等[100]在覆盖石墨烯的表面等离激元波导结构中, 通过控制石墨烯的泡利阻塞效应实现了对传播表面等离激元的电学调制(图8(b)). 如图8(b)左图所示, 六方氮化硼薄膜支撑的石墨烯覆盖在金等离激元波导上, 并通过外电压调控石墨烯的载流子浓度. 在金属边缘处存在表面等离激元边缘模式, 如图8(b)右图所示, 这种模式可以提供很强的石墨烯面内电场分量, 从而增强了石墨烯对表面等离激元的调制作用. 在10 V的偏压下, 该器件可以实现0.03 dB/μm的消光比, 估算的调制频率可达1 GHz以上. 2017年, Ding等[101]在槽状金等离激元波导上覆盖了具有10 nm氧化铝隔离层的双层石墨烯(图8(c)), 利用电信号调制石墨烯的载流子浓度和费米能级, 从而控制其泡利阻塞效应对金属槽波导中传播的表面等离激元泄漏模式的吸收, 实现了对表面等离激元的强度调制. 该调制器可以对1550 nm波长的信号实现2.1 dB的消光比. 2017年, Wang等[102]理论研究了基于覆盖石墨烯的周期性银槽结构的表面等离激元调制器, 该结构增强了石墨烯面内的电场强度, 从而增强了调制效果. 模拟结果表明该器件可以实现0.47 dB/μm的调制深度, 可以在1300—1600 nm的波长范围内工作.

Figure8. Modulation of propagating surface plasmons by tuning the carrier concentration of graphene: (a) Modulating surface plasmons on silver nanowire by tuning the carrier concentration of graphene[99]; (b) modulating the wedge plasmon mode of gold waveguide by tuning the carrier concentration of graphene[100]; (c) modulating surface plasmons on gold slot waveguide by tuning the carrier concentration of graphene[101].
除了上述两大类基于电光效应和载流子浓度的表面等离激元调制工作外, 人们还研究了其他基于电调制方法的表面等离激元传播调制. 电致变色分子可以通过电化学方法控制其氧化还原反应, 实现可逆的分子形态转变, 这种转变所导致的折射率变化可以用于表面等离激元调制. 2011年, Agrawal等[103]通过利用普鲁士蓝染料分子调控狭缝中表面等离激元的吸收实现了对通过狭缝的透射光信号的调制. 普鲁士蓝分子是一种电致变色材料, 可以发生电化学氧化还原反应转换为普鲁士白分子, 其光吸收率随着分子中铁离子价态的改变发生极大的变化. 染料分子被沉积在狭缝的侧壁上, 当利用电化学方法控制染料分子中铁离子的价态时, 可以对狭缝中传播的表面等离激元的吸收产生极大调制, 对衬底另一侧的透射信号强度调制可达96%. 这种电化学调制的方法受氧化还原反应时间的限制, 其响应时间大约在2 s左右. 等离激元波导结构发生物理形状改变时, 也会影响表面等离激元的传播. 通过电信号控制纳机电系统, 是实现纳米器件可控形变的有效途径之一. 2015年, Dennis等[104]通过纳机电方法调控MIM型等离激元波导的间隙距离, 实现了对表面等离激元的调制(图9). 作者在等离激元波导结构的上侧金膜中加工了长度为23 μm的11道金纳米桥, 在7 V的电压驱动下金纳米桥最大可以产生80 nm的形变. 这种形变使等离激元波导的间隙尺寸改变, 从而导致表面等离激元传播模式的变化. 当780 nm的激光激发传播的表面等离激元时, 利用电信号驱动结构形变, 可以使传播的表面等离激元最大产生


Figure9. Modulating the phase of surface plasmons in a MIM structure by nanoelectromechanical control of the gap between two metal layers[104].

Figure10. Modulation of propagating surface plasmons based on magneto-optic effect: (a) Modulating surface plasmons by magneto-optic effect of Co[106]; (b) modulating surface plasmons by magneto-optic effect of Bi:YIG[107].

调制原理 | 工作波长/nm | 消光比/dB | 响应时间/调制频率 | 参考文献 |
全光调制 | 633 | 10 | — | [26] |
633 | 12.6 | — | [27] | |
633 | 6 | 10 s | [48] | |
633 | 9.5 | — | [30] | |
720—900 | > 20 | 1 ms | [44] | |
780 | 0.31 | 200 fs | [50] | |
830 | 24 | — | [29] | |
1426 | ~0.46 | 25 MHz | [34] | |
热调制 | 442 | — | 40 Hz | [65] |
633 | 13 | 上升10 s, 下降2 s | [54] | |
785 | 1.2 | 上升4.6 μs, 下降6.5 μs | [68] | |
1520—1630 | 15 | 上升65 μs, 下降20 μs | [60] | |
1525 | — | 100 Hz | [61] | |
1530 | 0.48 | 8.3 kHz | [66] | |
1530—1550 | 3 | 上升2 ns, 下降800 ns | [67] | |
1550 | 35 | 0.7 ms | [59] | |
1550 | 19 | 上升~ms, 下降60 μs | [62] | |
1550 | 28 | — | [64] | |
1550 | 1.6 | 1 μs | [76] | |
1588—1604 | 7.5 | 40 Hz | [63] | |
电调制 | 633 | 14 | 2 s | [103] |
659 | 3 | — | [99] | |
688 | 0.71 | — | [92] | |
780 | — | 1 MHz | [104] | |
1200—2200 | 20 | — | [97] | |
1460—1640 | 10 | 115 GHz | [89] | |
1480—1600 | — | 65 GHz | [85] | |
1500 | 0.36 | — | [100] | |
1500—1600 | 15 | 70 GHz | [87] | |
1508—1516 | 0.64 | 上升1.3 s, 下降1 s | [84] | |
1520—1620 | 6 | 70 GHz | [86] | |
1520—1620 | 9 | 10 kHz | [95] | |
1540—1560 | 2.1 | 200 kHz | [101] | |
1550 | — | 170 GHz | [88] | |
1550 | 4.6 | 100 kHz | [94] | |
磁调制 | 808 | — | 690 Hz | [106] |
表2传播表面等离激元调制器的实验性能分析
Table2.The experimental performance analysis of propagating surface plasmon modulators.