梅 霆 ，楊 東，張 輝，金 桂，3，李 浩，李一岑，朱 凝

(1.華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所，廣東省微納光子功能材料與器件重點實驗室，廣東廣州510631;2.新加坡南洋理工大學(xué)電子與電機工程院，納米光子實驗室，新加坡639798;3.湘南學(xué)院物理與電子信息工程系，湖南郴州423000)

表面等離激元(Surface Plasmon，SP)是自由電子沿導(dǎo)體表面的集體振蕩，即電子氣的疏密波. SP與相鄰介質(zhì)中的光子耦合形成的混合體，亦即極化激元，被稱為表面等離極化激元(Surface Plasmon Polariton，SPP). SPP 可沿連續(xù)界面?zhèn)鞑デ腋叨染钟蛴诮缑?，場強在界面處最大，在界面兩?cè)呈指數(shù)衰減.盡管關(guān)于SP 研究的歷史可溯源至1902年［1-2］，WOOD［3］用一束光照射在金屬光柵上時發(fā)現(xiàn)在反射光中出現(xiàn)一系列明暗條紋，即Wood 異常，但早期的研究進展比較緩慢. 1957年，RITCHIE［4］發(fā)表了首篇關(guān)于SP 理論的文章，在研究金屬薄膜中快電子的損耗時發(fā)現(xiàn)金屬表面存在等離子體模式. 在相同頻率情況下，SPP 的波矢比光的波矢大，不能直接在傳播介質(zhì)中采用光波激發(fā)出沿界面?zhèn)鞑サ腟PP，致使SPP 的實驗工作具有很大挑戰(zhàn)性. 1968年，OTTO［5］取得了突破性進展，設(shè)計了一種采用衰減全反射方法的結(jié)構(gòu)，在特定的入射角度下激發(fā)SP，在反射譜上形成1個尖銳的凹槽，即表面等離激元共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)現(xiàn)象. 同年，KRETSCHMANN 與RAETHER［6］設(shè)計了另一種同樣采用衰減全反射方法來激發(fā)SP 的結(jié)構(gòu). 這2 種結(jié)構(gòu)分別被稱為Otto 結(jié)構(gòu)和Kretschmann 結(jié)構(gòu)，也稱衰減全反射結(jié)構(gòu)或棱鏡耦合結(jié)構(gòu)，直到目前仍被認為是激發(fā)SP 的主要方式.

SP 的場增強效應(yīng)以及場分布高度表面局域化的特性已得到廣泛關(guān)注，其應(yīng)用研究已經(jīng)滲入到許多領(lǐng)域，包括生物傳感、數(shù)據(jù)存儲、LED、太陽能電池、超分辨成像、納米加工、集成光路等. 集成光路(Photonic Integrated Circuits，PIC)是1969年由MILLER［7］參照集成電路首次提出的，如今已實現(xiàn)多個光子器件在芯片上的集成. 作為一個發(fā)展趨勢，縮小器件尺寸的需求來自2個方面:一方面是為了提高集成度，另一方面是為了與微電子器件在尺度上的匹配. 集成電路的發(fā)展由于傳輸損耗及RC 延遲已遇到速度瓶頸，需要借助光在傳輸方面的優(yōu)勢.基于光波導(dǎo)的器件由于受制于粒子的波動性，無法突破光子“衍射極限”的限制，其尺寸無法進一步縮?。?］. 因此，光子器件到底能做多小、如何與電子器件在系統(tǒng)上進行整合，是納米光子學(xué)的前沿研究在物理原理與制造技術(shù)上正在探討的核心內(nèi)容. 這些工作的共同之處，是利用光子和金屬電子在納米尺度上的相互作用，將光場分布限制在遠小于光波長的尺度之內(nèi)，從根本上解決電子和光子的“波長差別”. 由于SPP 是光子和電子的“混合體”，又具有高度局域化的場分布［9-11］，許多基于SPP 波導(dǎo)傳輸?shù)募{米級別的光子集成器件，如光耦合器、光柵、諧振濾波器［12-13］等已相繼成功問世，表明PIC 可通過SPP 途徑突破光子的衍射極限. 利用光子和金屬電子在納米尺度的相互作用，將光場分布限制在遠小于光波長的尺度之內(nèi)，從而解決光子器件因波長差別造成的與電子器件之間的尺寸差異問題. 因此，SPP 為光電集成提供了可行的途徑［8］，整合基于電子載體的計算機技術(shù)及基于光子載體的通訊技術(shù)，突破電子集成系統(tǒng)由電學(xué)延遲限制引起的速度和功耗瓶頸.

近年來，基于不同的側(cè)重點，已有一些有關(guān)SPP的綜述文章發(fā)表. 基于等離子集成回路(Plasmonic Integrated Circuit)的應(yīng)用背景，本文將重點介紹SPP的傳輸與操控方面的研究進展.

1 SPP 的傳輸

波導(dǎo)是連接集成光路中各種器件的基本元件，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的主要作用是將光場束縛在特定截面內(nèi)傳輸. 光波導(dǎo)的原理是光的全反射，主要的結(jié)構(gòu)形式有平板波導(dǎo)和脊型波導(dǎo). SPP 波導(dǎo)則是利用表面極化激元的場局域化機制，需要考慮的因素相對于光波導(dǎo)較為復(fù)雜，不僅要求在傳播方向的垂直截面上有非常強的束縛性，以保證高集成度，還要具有較低的傳輸損耗，以保證SPP 信號的傳播距離. 然而，SPP 強束縛性的本質(zhì)是將盡量多的SPP 模式分布在金屬材料中，以降低模式在介質(zhì)材料中的分布，而金屬的存在導(dǎo)致焦耳熱，產(chǎn)生非常大的損耗. 換句話說，SPP 波導(dǎo)不可能同時具有強的束縛和長的傳播距離，兩者之間存在折中關(guān)系.需要設(shè)計出獨特的結(jié)構(gòu)來優(yōu)化這種關(guān)系. 所以，出現(xiàn)了各種形式的SPP波導(dǎo)結(jié)構(gòu). 除簡單的單界面波導(dǎo)外，還有多層平板結(jié)構(gòu)(典型結(jié)構(gòu)為電介質(zhì)-金屬-電介質(zhì)(Dielectric-Metal-Dielectric，DMD)和金屬-電介質(zhì)-金屬(Metal-Dielectric-Metal，MDM))、金屬條結(jié)構(gòu)、溝道結(jié)構(gòu)、楔形結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)等.

單界面SPP 波導(dǎo)是研究最早的也是最簡單的SPP 波導(dǎo). 單界面SPP 波導(dǎo)的理想模型是具有正介電常數(shù)的半邊無限的介質(zhì)緊鄰著具有負實部介電函數(shù)的半邊無限的介質(zhì)，一般為金屬(Au、Ag、Al 等).這種波導(dǎo)的色散關(guān)系可以很容易從Maxwell 方程組和邊界條件求得［14-15］. 眾所周知，雖然金屬是非常好的等離子體材料，但金屬具有很大的損耗. 原因在于介電函數(shù)虛部的物理機制來自于兩部分:一是導(dǎo)電電子，包括電子-電子、電子-聲子的相互作用以及晶格缺陷和晶粒邊界引起的散射;二是束縛電子的共振吸收. 因此，尋找更適合的替代材料具有非常重要的意義［16-19］，并且已經(jīng)成為一個新的研究熱點，目前提出的有金屬合金、堿金屬、透明的導(dǎo)電氧化物(ITO 和ZnO 等)、石墨烯等，但基本處于理論研究階段，有關(guān)SPP 波導(dǎo)實驗性工作報道還很少.

雖然單界面SPP 波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)簡單，但其提供的束縛和傳播長度有限. 研究發(fā)現(xiàn)，平板SPP 波導(dǎo)給設(shè)計帶來更大自由度，使性能提高成為可能，常見的有DMD 和MDM 等2 種結(jié)構(gòu). 當中間材料的厚度小于光在這種材料中的趨膚深度時，2個單界面上的SPP 產(chǎn)生耦合，在對稱的DMD 結(jié)構(gòu)中可以形成一種傳播長度達到厘米級別的模式，稱之為長程SPP(Long - Range Surface Plasmon Polariton，LRSPP).雖然LRSPP 比單界面SPP 的傳播距離長，但其束縛能力相對較弱. 盡管如此，LRSPP 在長程信號傳輸方面具有的應(yīng)用優(yōu)勢是其它模式無法代替的. 對于MDM 結(jié)構(gòu)，由于其模式被上下兩層金屬束縛，當電介質(zhì)層變薄時，不會出現(xiàn)截止. 這樣可以通過減少電介質(zhì)層厚度來提高其模式的束縛程度. 因此，這種結(jié)構(gòu)可以用在集成度特別高，對傳播長度要求不是很嚴格的器件中.

單界面、DMD 和MDM 的SPP 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在寬度方向上是無限制的，僅在1個方向形成場的束縛，這嚴重限制了它們在某些實際器件中的應(yīng)用. 1999年，BERINI［20］提出了有限寬條狀金屬波導(dǎo)，可以提供橫向2個方向上的束縛，盡管條狀金屬的寬度在微米量級，但相對于前面所述的幾種結(jié)構(gòu)已有很大的進步. 2000年，CHARBONNEAU 和BERINI 等［21］首次實驗研究了8 μm 寬、20 nm 厚的Au 條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，用端面耦合方式激發(fā)SPP 并在輸出端進行紅外成像，觀察到了LRSPP. 隨后，研究人員對不同參數(shù)的金屬條波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行了大量的研究，表明這種結(jié)構(gòu)比平板結(jié)構(gòu)更符合實際的需求.

2002年，NOVIKOV 小組［22］用數(shù)值計算分析了一種稱為CPP(Channel Plasmon Polariton)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的色散關(guān)系，這種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是在金屬平板上制作1個溝道，它由2個單界面SPP 耦合而成并束縛在金屬溝道里，展現(xiàn)出比較好的束縛性，保證了在彎曲處有比較好的傳輸性能，同時具有比較長的傳播距離，通過優(yōu)化溝道的參數(shù)可以實現(xiàn)CPP 的單模傳輸. 最早提出的CPP 波導(dǎo)是金屬的矩形槽. CPP 模式隨著金屬槽寬度的減小，束縛能力會加強，同樣的，傳播長度會減小. 另一種CPP 波導(dǎo)是V 型槽，由于在V型槽的底端，槽的寬度比較小，對應(yīng)的有效折射率比較大，而且光趨向于束縛在折射率比較大的地方，這樣可將CPP 束縛在V 型槽的底端，而且通過控制V型槽的角度，可以控制CPP 的分布:小的角度會增加場束縛能力，但傳播長度會相應(yīng)減小，而且容易出現(xiàn)多模. 2005年，BOZHEVOLNYI 小組［23］分析、設(shè)計及制作V 型槽CPP 波導(dǎo)，并用掃描近場光學(xué)顯微鏡(Scanning Near-field Optical Microscope，SNOM)進行表征實驗，證實在1 425～1 620 nm 波長范圍內(nèi)CPP 的傳播長度達到90～250 μm. 并且在2006年成功研制出CPP 干涉儀和環(huán)形共振器［12］(圖1).

圖1 等離子體Y-波分器和Mach-Zehnder 干涉儀Figure 1 Plasmonic Y-splitter and Mach-Zehnder(MZ)interferometer

在CPP 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)提出之后，PILE 小組［24］分析了WPP(Wedge Plasmon Polariton)存在的條件、色散關(guān)系和束縛特性. 模擬表明:當角度大于75°，將不出現(xiàn)WPP;角度越小，束縛性越強，但傳播長度相應(yīng)減小. 2005年，該小組采用數(shù)值模擬并實驗觀察到了強的局域化WPP.

2006年，STEINBERGER 等［25］在50 nm 厚的Au表面制作了厚度為60 nm 的Si 介質(zhì)條，并用泄漏顯微鏡(Leakage Radiation Microscopy，LRM)和光子掃描隧道顯微鏡(Photon Scanning Tunneling Microscope，PSTM)進行了表征. 實驗表明:通過調(diào)節(jié)Si介質(zhì)條的寬度可以實現(xiàn)單模波導(dǎo);這種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)接近于同寬度金屬條的束縛程度，傳播長度約為8 μm. 而且通過制作彎曲的S 型波導(dǎo)并研究了這種波導(dǎo)的彎曲損耗. 這種結(jié)構(gòu)被稱為DLSPP (Dielectric-Loaded SPP)波導(dǎo). 同年，REINHARDT 等［26］通過激光雙光子加工制作了介質(zhì)條為PMMA 的波導(dǎo).2008年，HOLMGARD 等［27］在50 nm 厚度的Au 膜表面制作了寬600 nm、高600 nm 的PMMA 介質(zhì)條并理論分析和實驗表征了DLSPP 波導(dǎo)(圖2). 在波長1 425 nm 時傳播長度為46 μm;波長1 525 nm 時傳播長度為52 μm;波長1 625 nm 時傳播長度為65 μm. DLSPP 波導(dǎo)由于其簡單的制造工藝，比平板SPP 波導(dǎo)優(yōu)異的性能，而且由于這層電介質(zhì)的存在，有源介質(zhì)可以很好地摻雜其中，SPP 的有源器件很容易實現(xiàn)，并成為研究的熱點之一.

圖2 DLSPP 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的顯微鏡成像及SNOM 成像Figure 2 Microscope image and SNOM image of DLSPP waveguide

2008年，張翔小組［28］在Nature Photonics 上報道了一種強束縛性、較長傳播距離HPP(Hybird Plasmon Polariton)波導(dǎo)(圖3). 這種波導(dǎo)由1個高介電常數(shù)的介質(zhì)納米線放置在金屬表面上，中間由介電常數(shù)小的介質(zhì)隔離. 當間隔比較小時，納米線中的波導(dǎo)模式會與金屬-低介電常數(shù)介質(zhì)界面上的SPP 模式相互耦合，形成了束縛在間隔處的波導(dǎo)模式. 由于低損耗介質(zhì)波導(dǎo)模式的存在，這種混合模式的傳播距離比較長. 在激發(fā)波長為1 550 nm 時，調(diào)節(jié)納米線的直徑和間隔的高度，其傳播長度在40～150 μm 范圍變化. 這種混合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圓柱形的納米線不是必須的，它可以是任意形狀的介質(zhì)波導(dǎo).AVRUTSKY 小組［29］稱這種結(jié)構(gòu)為導(dǎo)體-間隙-電介質(zhì)波導(dǎo)，而且提出了多種類似結(jié)構(gòu).

圖3 混合模波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of the hybrid waveguide

光緩沖器件、光開關(guān)和光存儲器是全光通信中關(guān)鍵的光子器件. 慢光在SPP 傳輸中也是一個重要的研究問題. 當SPP 接近Ritchie 頻率(ωs= ωp/，ωp為體等離子頻率)時，由于等離子共振，獲得近于零的傳播速度. 慢光的傳輸存在一對矛盾，即“延時帶寬積”，長的延時必然導(dǎo)致帶寬變窄. 2005年，KARALIS 等［30-31］研究了一類SPP 多層平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，首次指出在大頻率帶寬范圍內(nèi)支持極低群速度是這類結(jié)構(gòu)的固有特性. 并進一步研究了在獲得小的正、負及零的群速度的同時，如何徹底消除群速度色散和衰減色散，設(shè)計出無色散的慢光結(jié)構(gòu)，打破了延時帶寬積的限制.

SPP 是沿平面波導(dǎo)傳輸?shù)?，這和光子在光子波導(dǎo)中的傳輸一樣，因而光子共振結(jié)構(gòu)的設(shè)計也可適用于SPP 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的設(shè)計.因此，SPP 慢光機制既可利用材料色散(與EIT 等方法相似)，也可利用幾何圖形結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的模式色散(與CROW、PCW 等相似). 慢光所引起的場增強效應(yīng)不僅在光子晶體中得到了實現(xiàn)［32］(圖4A)，在DMD 一維波導(dǎo)［33］中也實現(xiàn)了光能的“縱向壓縮”，這種等離激元慢光在超越衍射極限的情況下實現(xiàn)極低的群速度和極高的能量壓縮(圖4B). 2007年，SANDTKE 等［34］在Nature Photonics 上報道了通信波長下用55 μm 長的SPP布拉格柵獲得了4 THz 下2 倍的減慢因子，延時帶寬積為1.3，并指出減慢因子達到1 000 倍的可能性. 隨之，一種所謂的“彩虹陷光”效應(yīng)也被提出，并且從理論和實驗上均得到證明. GAN 等［35］設(shè)計出一種基于太赫茲等離激元的逐漸加深的金屬格子結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了不同頻率的太赫茲波在不同位置的停止，這種結(jié)構(gòu)對極寬光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)慢光有利. WANG等［36］模擬了一種多齒狀MIM 光波導(dǎo)，在不同頻率和不同位置模擬了“彩虹陷光”效應(yīng). JANG［37］、PARK［38］也開展了類似的研究，實現(xiàn)了SPP 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中光子的停頓，為SPP 慢光器件在太陽能電池、光存儲器等器件中的潛在應(yīng)用打下了基礎(chǔ).

圖4 光子晶體的慢光光場增強效應(yīng)與等離激元慢光的光場縱向壓縮Figure 4 Slow -light intensity enhancement in photonic - crystal waveguide and field enhancement by longitudinal compression of plasmonic slow light

SPP 慢光的缺陷比較明顯，金屬帶來的損耗使納米光子器件在性能上受到很多限制，吸收損耗使近零群速度的獲得很困難［39］. 通過對此類波導(dǎo)的平坦色散曲線進行慢光效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)損耗嚴重影響了此類慢光波導(dǎo)的傳播效率，在諧振腔的設(shè)計中，金屬損耗使得諧振腔的品質(zhì)因素非常?。?0］. 正如KARALIS 等［31］指出，衰減損耗是妨礙SPP 慢光成為理想方案的最后一道障礙. 因此，如何克服SPP 慢光傳播中的衰減損耗問題已受到廣泛關(guān)注.張翔小組［41］在理論研究中，模仿原子系統(tǒng)中EIT 的機制，采用2個相互耦合的納米尺度的表面等離激元共振單元，構(gòu)建相互干涉的表面等離激元耦合系統(tǒng)，使損耗減小并獲得減慢因子約為10 的模擬結(jié)果. 這個結(jié)果低于EIT，但它可以在室溫下工作. 要保持SPP 結(jié)構(gòu)在慢光上的優(yōu)勢，在介質(zhì)中引入增益補償衰減損耗，是比較直接的解決方法. KIRBY等［42］通過理論分析和仿真，表明在超穎材料光波導(dǎo)中能夠通過泵浦增益倏逝波來補償傳輸損耗，實現(xiàn)慢光和陷光效應(yīng)，這也為SPP 慢光結(jié)構(gòu)克服損耗問題提供了理論依據(jù).

2 SPP 的增益及傳輸損耗補償

金屬的吸收使SPP 在傳輸時產(chǎn)生巨大的能量損耗，限制了傳播長度，也限制了其實際應(yīng)用. 因此，對SPP 的損耗補償進行研究就非常關(guān)鍵. 通常，補償損耗所需的增益依據(jù)SPP 的束縛程度而定，對SPP 的束縛程度越大，其損耗就越大，即需要更大的增益來加以補償，這個問題可以通過在介質(zhì)中加入增益材料來加以解決. 泵浦增益介質(zhì)一般有2 種方式，即光泵浦與電泵浦，光泵浦作為一種傳統(tǒng)的泵浦方式，容易實現(xiàn)，因此大部分研究都采用這種方式.電泵浦也有人開展了研究，并且取得了良好的進展. 由于SPP 的放大性質(zhì)會因波導(dǎo)中金屬結(jié)構(gòu)的不同而有所差異，因此將對不同波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進行分析.

單界面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)是指半邊無限金屬-介質(zhì)界面，NEZHAD 等［43］在理論上證明了該結(jié)構(gòu)的光學(xué)增益可以補償SPP 在金屬上的損耗，證明了在遠紅外波段實現(xiàn)SPP 的損耗補償是可能的. 有研究表明損耗補償所需的增益與金屬表面的粗糙度有關(guān)，AVRUTSKY［44］分析了界面在不同粗糙度下的SPP能量漸進線(Energy Asymptote)，發(fā)現(xiàn)當表面粗糙度大約為10 nm 時完全補償損耗所需的材料增益為80 000 cm-1，盡管此類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有較優(yōu)良的特性，如極低的群速度(約為1 km/s)、極大的有效折射率(約29)和極強的局域特性(幾個納米)，但是要求的材料增益過大. 半導(dǎo)體尤其是低維半導(dǎo)體材料能夠提供很大的材料增益，ALAM 等［45］提出將增益介質(zhì)做成多量子阱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)SPP 的無損傳輸，分析了傳播長度與增益系數(shù)、覆蓋層厚度之間的關(guān)系，從理論上證明了采用量子阱結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)SPP 的無損傳播. NOGINOV 等［46］通過實驗實現(xiàn)了SPP 的受激輻射放大，采用了一個輻射-全反射裝置探測到了銀膜與光泵浦染料溶劑(增益介質(zhì))界面上SPP的受激輻射，觀察結(jié)果與其理論分析吻合. 此外，SEIDEL 等［47］首次在可見光波長上觀察到了SPP 的受激輻射，采用Kretschmann 結(jié)構(gòu)，在棱鏡上鍍銀薄膜，銀膜的另一面則是增益材料(摻于乙醇中的若丹明101 或紫甲苯基)，SPP 的激發(fā)采用波長為633 nm 的TM 波，泵浦光波長為580 nm，得到了在有無泵浦情況下的反射率之差與探測光入射角之間的關(guān)系. 結(jié)果表明增益材料有助于SPP 的激射，這與SIMON［48］和SUDARKIN 等［49］的理論相一致. SIRTORI［50］和TREDICUCCI 等［51］則首次實現(xiàn)了在量子級聯(lián)放大器上遠紅外波段的SPP 激射，在后者的裝置中通過在量子級聯(lián)增益介質(zhì)上鍍雙金屬光柵來形成分布反饋，從而實現(xiàn)在波長為17 μm 的SPP 激射.BOLGER 等［52］研究了SPP 對自發(fā)輻射的放大，用厚度為1 μm 的摻PbS 量子點的PMMA 覆蓋厚度為100 nm 的金(圖5A)，在銀上制作光柵耦合出波長在量子點發(fā)射峰的SPP. 當泵浦能量增加時，輸出光譜變窄(圖5B)，說明實現(xiàn)了ASESPP(Amplified Spontaneous Emission of Surface Plasmon Polariton).

圖5 SPP 的自發(fā)輻射放大結(jié)構(gòu)及不同泵浦光強度下的發(fā)射光譜Figure 5 The structure of ASESPP and SPP emission spectra for different pump intensities

采用光泵浦方式對SPP 的損耗補償，需要外部光源，不利于芯片集成，相比而言，電泵浦方式在集成應(yīng)用方面更具有優(yōu)勢. 梅霆小組［53］用InGaAsP量子阱作為增益介質(zhì)，量子阱處于距金膜40 nm 處(圖6A)，金膜上的光柵用于耦合SPP. 電流通過量子阱附近金膜上的P 型與N 型電極注入. 從出射光柵中測量的歸一化信號強度(無偏壓時)與施加到InGaAsP 量子阱上正向電壓之間的關(guān)系如圖6B 所示，采用電泵浦實現(xiàn)了SPP 傳輸?shù)难娱L，在實驗中獲得了相對于無泵浦下3.5 倍信號輸出. 進一步實驗［54］表明，SPP 傳輸?shù)难娱L是通過受激輻射放大短程SPP，使傳播長度僅為3 μm 的短程SPP 模式通過了80 μm 長的SPP 波導(dǎo). 用電泵浦方式實現(xiàn)對SPP增益而使其傳播長度延長的實驗研究在國際上尚屬首次報道. 此外，F(xiàn)EDYANIN 等［55］引入肖特基勢壘二極管的概念對電泵浦的情況進行了分析，提出一種基于肖特基勢壘二極管少數(shù)載流子注入的SPP放大方法.

圖6 波導(dǎo)結(jié)構(gòu)與實驗結(jié)果Figure 6 Structure and experimental result of the waveguide

混合型波導(dǎo)近年來成為一大研究熱點. GARCIA-BLANCO 等［56］理論研究了介質(zhì)加載型SPP 波導(dǎo)中SPP 的損耗補償，模擬得到在波長為1.55 μm時無損傳輸所需的增益可降低至12.5 dB/cm;WANG 等［57］提出了一種通過增益介質(zhì)與介質(zhì)加載型波導(dǎo)混合集成的亞波長等離子波導(dǎo)，在波長1.55 μm上具有λ2/210 的超小模式束縛，并模擬出使SPP 無損傳輸所需的光學(xué)增益為420 cm-1. ZHU 等［58］分析了當混合型波導(dǎo)中的增益材料為非線性材料時SPP 波導(dǎo)模式與TM1 模式的非線性相互耦合作用，得出通過光學(xué)參量放大來增強SPP 的方法，其模擬結(jié)果也充分表明了通過TM1 模式的耦合可以實現(xiàn)損耗補償甚至放大SPP. GAO 等［59］則提出了一種可以用簡單工藝制作的有源混合型波導(dǎo)，模擬的結(jié)構(gòu)中，高折射率層作為增益層時材料增益為3.8 cm-1即可完全補償損耗，相應(yīng)的實驗也相繼得到驗證.GARCIA 等［60］用泄漏輻射顯微鏡表征了介質(zhì)加載型波導(dǎo)(金膜厚度為70 nm，SiO2襯底厚度為0.17 mm)的模式傳播、耦合效率及受激輻射. 泵浦光波長為532 nm，激發(fā)光波長為860 nm，PbS 量子點濃度為2.8 ×1017cm-3，探測表明實現(xiàn)的增益為143 cm-1，33% 的損耗得到了補償. GRANDIDIER等［61］研究了摻有PbS 量子點(濃度為9×1016cm-3)的PMMA 介質(zhì)加載型等離子波導(dǎo)(介質(zhì)材料厚600 nm、寬400 nm、長65 μm 及金膜厚度為(40±3)nm)中的SPP 增益?zhèn)鬏敚ㄐ挪ㄩL傳播長度增加27%，對應(yīng)的光學(xué)增益為160 cm-1. OULTON 等［62］也通過在銀膜與其上的CdS 納米線的間隙層填充MgF2的方法實現(xiàn)了SPP 在模式面積極小時的激射.

相比單界面結(jié)構(gòu)，DMD 結(jié)構(gòu)中SPP 的放大需要的材料增益較?。?3-66］. ALAM 等［67］的理論計算表明實現(xiàn)波長為1 550 nm 的長程SPP 無損傳播需要的增益為400 cm-1. CHEN 等［68］首次測量了長程SPP 的損耗補償，測量到模式增益為8.55 dB/cm. 其結(jié)構(gòu)為15 μm 厚的SiO2，20 nm 厚的介質(zhì)層、1 μm 寬的金，界面粗糙度小于1 nm，泵浦光波長為808 nm，探測光波長為882 nm，增益介質(zhì)為IR140，增益層厚度為100 μm. BERINI［66］測量了SPP 在傳播了微米級長度后獲得的凈增益. 增益的獲得是通過光泵浦DMD 波導(dǎo)上金屬表面的熒光聚合物，增益的大小為59 cm-1(金厚度為4 nm，介質(zhì)折射率為1.55，增益層厚度為1 μm，泵浦光波長為532 nm). AMBATI等［69］計算了金屬-GaAs 界面微腔在LRSPP 模式波長為1 400 nm 時的Q 值高達4 000，閾值增益約為200 cm-1. KAWATA 等［70-72］研究了光柵結(jié)構(gòu)上加入增益介質(zhì)的LRSPP，如果增益介質(zhì)的發(fā)射峰在等離子帶寬里，那么光柵耦合的LRSPP 將會產(chǎn)生激射. FLYNN 等［73］則采用量子阱結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了LRSPP的激射(波長為1 460 nm)，其結(jié)構(gòu)是:InP 襯底，多量子阱，銀膜厚度為15 nm，當有TM 波從腔(1 mm長，100 μm 寬)的一端射入(泵浦光波長為1 060 nm，脈寬為140 ns)，另一端可觀察到激射.

MDM 結(jié)構(gòu)對SPP 具有極強的束縛性，因此可應(yīng)用于超小規(guī)模的光集成，但相應(yīng)的金屬損耗非常大.MAIER［74］對MDM 波導(dǎo)(芯層具有光學(xué)增益)中傳播常數(shù)與芯層寬度的關(guān)系進行了詳細分析(圖7)，增益能夠完全補償由于金屬吸收而造成的能量損耗，使SPP 的傳播距離變長，計算出使波長為1 500 nm的SPP 在金-半導(dǎo)體-金(芯層厚度50 nm)中無損傳播所需的增益(4 830 cm-1). LI 等［75］研究了MSM 結(jié)構(gòu)(半導(dǎo)體材料為增益介質(zhì))中SPP 的傳播特性，發(fā)現(xiàn)在接近SPP 共振時，波矢虛部由正變負，對應(yīng)于SPP 的傳播放大，同時當增益介質(zhì)被激發(fā)時，SPP 的模式增益比材料增益大1 000 倍，這一現(xiàn)象還未在其他結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)，平均能流密度減小導(dǎo)致了這一極大增益. CHEN 等［76］用FDTD 方法對半導(dǎo)體增益介質(zhì)與束縛型等離子極化激元的相互作用進行了研究，分析了MSM 波導(dǎo)中波的傳輸放大并獲得凈光學(xué)增益的條件. HILL 等［77］實現(xiàn)了電泵浦的SPP 激射，該結(jié)構(gòu)在水平方向上有很高的束縛度，在垂直方向上也有很大的傳播指數(shù)限制，腔的兩端有2個反射鏡，激射可通過襯底上的泄漏輻射探測得到.

圖7 歸一化傳播常數(shù)與芯層寬度之間的關(guān)系Figure 7 Evolution of the normalized propagation constant with the core size

3 SPP 的開關(guān)與調(diào)制

對SPP 的開關(guān)調(diào)制是SPP 有源操控要解決的首要問題. 解決這個問題主要有以下途徑:(1)通過可控的金屬物理性質(zhì);(2)通過可控的介質(zhì)光學(xué)性質(zhì).此外，還有報道采用微電機系統(tǒng)(MEMS)［78］. 在通過可控的金屬物理性質(zhì)操控SPP 的途徑方面，KRASAVIN 等［79］利用光激勵產(chǎn)生溫度變化，引起Au-介質(zhì)間一層很薄的Ga 層的金屬態(tài)-非晶態(tài)結(jié)構(gòu)相變，改變波導(dǎo)的SPP 透過率，SPP 開關(guān)時間約為50 ns. MACDONALD 等［80］用光脈沖引起金屬的帶間躍遷，擾動金屬面的電子能量- 動量分布影響SPP 傳播，獲得200 fs 的響應(yīng)及7.5% 的調(diào)制度.TEMNOV 等［81］采用Au -Co -Au 鐵磁結(jié)構(gòu)通過外部磁場以磁光效應(yīng)來操控SPP，只需要幾個毫特斯拉即可產(chǎn)生足夠大的相移，有望達到皮秒級速度.相對而言，更為普遍的還是采用可控介質(zhì)的途徑，通過其熱光、電光和光致變色等各種非線性效應(yīng)來實現(xiàn)操控SPP. 在光驅(qū)動方面，BRONGERSMA小組［82］研究用光致變色效應(yīng)開關(guān)SPP，在PMMA中摻入螺旋吡喃(spiropyran)，用表面等離子體共振(SPR)光譜演示了開關(guān)特性. 袁小聰小組［83］采用偶氮苯聚合物薄膜的光控異構(gòu)演示了SPP 的操控. ATWATER 小組［84］利用光泵浦控制CdSe 量子點吸收譜實現(xiàn)對SPP 的調(diào)制. 在電驅(qū)動方面，BOZHEVOLNYI 等［85］利用熱光效應(yīng)，采用苯并環(huán)丁烯(benzocyclobutene)與金波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)馬赫-曾德爾干涉調(diào)制器和定向耦合器開關(guān). ATWATER 小組［86］還利用鈦酸鋇的電光效應(yīng)和電疇翻轉(zhuǎn)，在碳酸鋇和銀的界面上實現(xiàn)電壓調(diào)制. 2009年BRONGERSMA 小組［87］提出了兼容CMOS 工藝的電光調(diào)制器方案，其理論工作頻率大于100 GHz，調(diào)制深度大于3 dB，僅需要約1 V 調(diào)制電壓，而ATWATER 小組［88］以實驗展示的硅基場效應(yīng)結(jié)構(gòu)調(diào)制器則是進行SPP-光子-SPP 模式激發(fā)轉(zhuǎn)換，通過開關(guān)光子波導(dǎo)模式實現(xiàn)SPP 調(diào)制的. 此外，除了光驅(qū)動與電驅(qū)動，美國西北大學(xué)STODDART 和賓夕法尼亞州立大學(xué)HUANG 合作［89］，通過氧化還原作用控制輪烷(rotaxane)介質(zhì)折射率，并做了偏移金納米盤的局域表面等離子體共振(LSPR)的實驗演示.

4 總結(jié)與展望

隨著光電集成技術(shù)和光子操控技術(shù)的迅速發(fā)展，對SPP 的調(diào)控機理和應(yīng)用研究也逐漸深入.SPP 可用于實現(xiàn)超衍射極限的光傳輸方面的有效調(diào)控，也可用于實現(xiàn)電磁場能量的局域增強，在通訊、照明、環(huán)保和光伏等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景. 關(guān)于表面等離激元傳輸調(diào)控的理論與實驗工作得到廣泛開展，在長程傳輸、慢光、損耗補償、調(diào)制、SPP 激射等方面取得一定進展. 還有很多重要的課題值得進一步研究. SPP 的傳輸損耗問題一直是制約其應(yīng)用的一個瓶頸，雖然已有研究采用光泵浦和電泵浦增益的方式對其傳輸損耗進行補償，但是如何實現(xiàn)SPP 的傳輸放大，需要對一些相關(guān)的物理機制做進一步探索. 如何完成SPP 波導(dǎo)傳輸中的信號加載及接收，并用以實現(xiàn)電子器件與光子器件在納米尺度的芯片集成，這也是亟待解決的技術(shù)問題. 因此，表面等離激元光學(xué)(Plasmonics)是一個非常活躍的研究新領(lǐng)域. 雖然SPP 途徑存在本身的缺陷，如損耗問題影響傳輸長度，但特定的應(yīng)用環(huán)境可以淡化其不利因素. 當器件對傳播長度要求不大時，SPP 已經(jīng)可以應(yīng)用到器件中去. 最近基于DLSPP 的電光開關(guān)［90］已經(jīng)應(yīng)用于WDM 中. 相信在不久的將來，SPP 器件一定會大放光彩，成為人們生活中的一部分.

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