等離子激元

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促進可見光譜中負折射的質子波導設計

等離子激元或納米等離子激元[1]是指沿納米尺度的金屬-電介質界面產生、檢測和操縱光頻率的信號。 [2]等離子激元順應了光學器件小型化的趨勢，並可應用於傳感、顯微鏡、光通信和生物光子學中。 [3]

原理

等離子體激元通常利用的表面等離子體激元 (SPPs) [2] ，它是金屬表面電子在外界電磁場作用下產生集體振盪的現象。 SPP 模式強烈地受限在它們的支持界面，特別是金屬中的電子氣體隨電磁波振盪。由於移動中電子被散射，等離子體信號通常有較大的歐姆損耗，這導致了信號傳輸距離被限制在亞厘米範圍內 [4]。除了 SPP，由金屬納米顆粒支持的局部表面等離子體模式被稱為等離子體模式。這兩種模式的共同特點是動量值大，這使得光子態的局部密度得到強烈的共振增強， [5]可以用來增強光電器件的弱光學效應。

前景和挑戰

人們正致力於結合等離子體與電路、在電路模擬中結合電子的尺寸效率和積體光學的數據承載力。隨着用於電路的CMOS節點的柵極長度不斷減少、傳統PIC的尺寸受到繞射的限制，從而限制了電路的進一步集成。等離子激元可以彌補這種電路和光學器件上的不匹配。同時，光子學和等離子學可以相互補充，因為在適當的條件下，光信號可以轉換為SPP，反之亦然。

阻礙等離子電路可行的最大問題之一是表面等離子的傳播長度短。通常情況下，表面等離子在阻尼信號衰減之前的傳播距離只有幾毫米。這主要是由於歐姆損失，電場越深入金屬歐姆損失就越嚴重。研究人員正試圖通過研究各種材料、幾何形狀、頻率和它們各自的特性來減少表面等離子體傳播的損失。[6]新期望的低損耗等離子體材料包括金屬氧化物和氮化物以及石墨烯。更多設計自由度的關鍵是改進的製造技術，通過減少材料表面粗糙度進一步降低損失。

另一個可以預見的障礙是等離子電路的發熱；等離子電路中的熱量可能會或可能不會超過複雜電子電路產生的熱量。最近有人提出通過設計支持受困的光學渦流來減少等離子體網絡中的發熱，這些渦流使光功率流在粒子間的間隙中循環，從而減少吸收和歐姆發熱[7][8]。除了發熱，在不大幅減少幅度和傳播長度的情況下，也很難改變電路中等離子體信號的方向。對於彎曲傳播方向的問題，一個聰明的解決方案是使用布拉格反射鏡來調整信號在特定方向上的角度，甚至用作信號的分離器。最後，等離子學在熱發射操縱和熱輔助磁記錄方面的新興應用，利用金屬中的歐姆損耗來獲得具有新的增強功能的設備。

波導

混合等離子體波導上的場分佈

最佳的質子波導設計力爭最大化表面質子在質子電路中的限制和傳播長度。表面等離子體極子的特點是一個複雜的波矢、有平行於和垂直於金屬-介質界面的分量。波向量分量的虛部與SPP的傳播長度成反比，其實部定義了SPP的約束。SPP的色散特性取決於組成波導的材料的介電常數。表面等離子體極子波的傳播長度和限制是成反比的。因此，更強的模式限制通常會導致更短的傳播長度。一個實際可用的表面等離子體電路的構建在很大程度上取決於傳播和限制之間的妥協。最大化限制和傳播長度有助於減輕選擇傳播長度而不是限制的缺點，反之亦然。為了追求具有強封閉性和足夠傳播長度的等離子體電路，已經有多種類型的波導，一些最常見的類型包括絕緣體-金屬-絕緣體（IMI）[9]、金屬-絕緣體-金屬（MIM）[10]、介質負載表面等離子體（DLSPP）[11]、間隙等離子體（GPP）、通道等離子體（CPP）[12]、楔形表面等離子體（wedge）以及混合光-等離子體波導和網絡。伴隨着SPP在金屬中傳播的耗散損失可以通過增益放大或將其與光纖和耦合共振器波導等光子元件組合成混合網絡來緩解。這種設計可以產生前面提到的混合等離子體波導，它在光的繞射極限的十分之一的範圍內表現出亞波長模式，同時還有可接受的傳播長度。

等離子體電路的輸入和輸出端口將分別接收和發送光信號。為此，光信號與表面等離子體的耦合和去耦合是必要的。 [13]表面等離子體的色散關係完全低於光的色散關係，這意味着要發生耦合，輸入耦合器應提供額外的動量，以實現入射光與等離子體電路中發射的表面等離子體激元波之間的動量守恆. [14]對此有幾種解決方案，包括在金屬表面使用介電稜鏡、光柵或局部散射元件，通過匹配入射光的動量和表面等離子體來幫助誘導耦合。 [15]在創建表面等離子體並將其發送到目的地後，它可以轉換為電信號。這可以通過在金屬平面中使用光電探測器來實現，或者將表面等離子體解耦為自由傳播的光，然後可以將其轉換為電信號。 或者，可以將信號輸出耦合到光纖或波導的傳播模式中。

有源設備

在過去的50年裏，表面等離子所取得的進展導致了各種類型的裝置的發展，包括有源和無源裝置。有源器件中最突出的幾個領域是光學、熱光學和電光學。全光器件在用作調製器時已表現出成為信息處理、通信和數據存儲的可行來源的能力。例如，通過硒化鎘量子點將兩束不同波長的光轉換為共同傳播的表面等離子，展示了兩束光的相互作用。電光設備在調製器的形式上也結合了光學和電學設備的各個方面。具體來說，電光調製器已經被設計成依靠長程表面等離子（LRSP），使用蒸發耦合的諧振金屬光柵和納米線。同樣，熱光學裝置，其中包含一種介質材料，其折射率隨着溫度的變化而變化，除了定向耦合器開關外，也被用作SPP信號的干涉調製器。一些熱光學裝置已被證明是利用沿金條的LRSP波導，這些金條被嵌入聚合物中並被電信號加熱，作為調製和定向耦合器開關的一種手段。另一個潛在的領域是在納米級光刻、探測和顯微鏡等領域中使用spasers。

無源設備

有源元件在等離子體電路的使用中發揮着重要作用，無源電路同樣不可或缺，而且製作困難。許多無源元件（例如稜鏡、透鏡和分束器）可以在等離子體電路中實現，但納米級的製造被證明不僅困難而且會產生不利的影響。在使用具有不同折射率的折射元件時，由於去耦可能會發生明顯的功率損失。一些步驟已被採取來最小化損失並最大化光子組件的緊湊性。一個這樣的步驟依賴於使用布拉格反射器或一系列平面組成的鏡子來控制表面等離子體束。優化後，布拉格反射器可以反射近 100% 的輸入功率。 另一種用於製造緊湊型光子組件的方法依賴於 CPP 波導，因為它們在電信波長內顯示出強大的封閉性且有可接受的損失（小於3dB）。 [16]在使用無源器件和有源器件方面最大化損耗和緊湊性，為等離子體電路的使用創造了更多潛力。

另見

參考文獻

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