【瑞士美國聯(lián)合研究團隊設(shè)計新型低損耗等離子體激元器件 】最近幾十年來，在金屬介電界面處的亞波長范圍內(nèi)對光能的限制——即等離子體激元使得各國的研究人員有望制造能夠應(yīng)用于信息技術(shù)和傳感等應(yīng)用的超小型設(shè)備。但等離子體激元具有致命弱點：等離激元的光子電子相互作用所必需的微小金屬結(jié)構(gòu)不可避免地導(dǎo)致光能的吸收和歐姆損耗。這使得設(shè)計高效實用的通過等離子體效應(yīng)實現(xiàn)場增強和快速操作的超緊湊器件成為一個棘手的難題。

目前，由瑞士和美國的研究人員組成的一個聯(lián)合研究小組設(shè)計了一種微米級的等離子激元輔助電光調(diào)制器，能夠解決上述的損耗難題。研究人員并非試圖將器件的等離子體損耗降至最低，而是將這些損耗計入器件設(shè)計本身。

器件的損耗問題

在等離子體激元器件中，擊中金屬納米結(jié)構(gòu)點表面的光波的電子成分可以激發(fā)被稱為表面等離子體激元(SPP)的亞波長級電磁波，其沿著金屬電介質(zhì)表面?zhèn)鞑ァＭㄟ^限制和引導(dǎo)納米尺度的光能，等離激元器件可以打破衍射極限并且在局部增強相對較弱的入射光場。

這些優(yōu)勢已經(jīng)在諸如基于檢測表面等離子體共振的生物傳感器等領(lǐng)域中找到了等離子體激元的用武之地。但是，在通信和光電子電路等領(lǐng)域中，等離子體激元更廣泛的應(yīng)用通常因為損耗問題而擱淺。這是因為當表面等離子體激元傳播穿過金屬表面時，能量不可避免地被金屬吸收并轉(zhuǎn)化為熱量釋放。

因此，盡管等離子體激元器件可以在微米長度尺度上提供實質(zhì)性的調(diào)制效應(yīng)，但它們也受到傳播損耗大約為dB/μm量級的影響，而硅光子學(xué)的傳播損耗為dB/cm的量級。但是對于片上技術(shù)，等離子體激元器件可能會產(chǎn)生較嚴重的“插入損耗”——由于添加有損等離子體激元器件而導(dǎo)致電路中的信號功率降低。

降低損耗的解決方法

據(jù)瑞士-美國聯(lián)合研究小組報道，包括來自瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院和美國華盛頓大學(xué)、普渡大學(xué)以及弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)的研究人員在內(nèi)的研究小組已經(jīng)找到了解決電光調(diào)制器新設(shè)計損耗的辦法——即采用片上開關(guān)，能夠用于在電和光子能量之間進行轉(zhuǎn)換。研究人員通過將等離子體激元的能量損耗視為一種特征來解決了這一難題。

該調(diào)制器由直徑約3微米和數(shù)十納米厚的金-絕緣體-金屬槽波導(dǎo)環(huán)形諧振器組成，并且填充有有機電光材料，用于在施加的電壓下控制環(huán)的諧振狀態(tài)偏壓。環(huán)形諧振器位于掩埋硅總線波導(dǎo)上方約70nm的二氧化硅襯底上。

該調(diào)制器是一個設(shè)計精妙的陷波濾波器，它使用環(huán)中的等離子體損耗來控制通過下面的硅總線波導(dǎo)的光傳輸。當環(huán)被調(diào)整到其諧振狀態(tài)——開關(guān)的“關(guān)閉”狀態(tài)時，環(huán)中的表面等離子體激元產(chǎn)生干涉，導(dǎo)致強烈的等離子體耦合并吸收穿過總線波導(dǎo)的光，并且有效地截止光的傳輸。當環(huán)處于非共振狀態(tài)——開關(guān)的“打開”位置時，環(huán)中的表面等離子體激元破壞性地干涉；幾乎所有的總線波導(dǎo)中的光都逃逸了等離子體耦合并且無阻礙地穿過波導(dǎo)。

超緊湊的電光開關(guān)

聯(lián)合研究團隊報告稱，通過對諧振器進行的實驗證實，單芯片器件可以將片上光損耗降低，工作頻率超過100千兆赫，能效高、熱漂移小、占地面積小。他們認為所提出的方案可能在開發(fā)用于通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新興混合芯片以及片上傳感器應(yīng)用中的電子和光子學(xué)之間的超緊湊電光開關(guān)方面擁有用武之地。