【瑞士美國聯合研究團隊設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用于信息技術和傳感等應用的超小型設備。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構不可避免地導致光能的吸收和歐姆損耗。這使得設計高效實用的通過等離子體效應實現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合研究小組設計了一種微米級的等離子激元輔助電光調制器，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，擊中金屬納米結構點表面的光波的電子成分可以激發被稱為表面等離子體激元(SPP)的亞波長級電磁波，其沿著金屬電介質表面傳播。通過限制和引導納米尺度的光能，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。

這些優勢已經在諸如基于檢測表面等離子體共振的生物傳感器等領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域中，等離子體激元更廣泛的應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性的調制效應，但它們也受到傳播損耗大約為dB/μm量級的影響，而硅光子學的傳播損耗為dB/cm的量級。但是對于片上技術，等離子體激元器件可能會產生較嚴重的“插入損耗”——由于添加有損等離子體激元器件而導致電路中的信號功率降低。

降低損耗的解決方法

據瑞士-美國聯合研究小組報道，包括來自瑞士聯邦理工學院和美國華盛頓大學、普渡大學以及弗吉尼亞聯邦大學的研究人員在內的研究小組已經找到了解決電光調制器新設計損耗的辦法——即采用片上開關，能夠用于在電和光子能量之間進行轉換。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。

該調制器由直徑約3微米和數十納米厚的金-絕緣體-金屬槽波導環形諧振器組成，并且填充有有機電光材料，用于在施加的電壓下控制環的諧振狀態偏壓。環形諧振器位于掩埋硅總線波導上方約70nm的二氧化硅襯底上。

該調制器是一個設計精妙的陷波濾波器，它使用環中的等離子體損耗來控制通過下面的硅總線波導的光傳輸。當環被調整到其諧振狀態——開關的“關閉”狀態時，環中的表面等離子體激元產生干涉，導致強烈的等離子體耦合并吸收穿過總線波導的光，并且有效地截止光的傳輸。當環處于非共振狀態——開關的“打開”位置時，環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中的光都逃逸了等離子體耦合并且無阻礙地穿過波導。

超緊湊的電光開關

聯合研究團隊報告稱，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用于通信和互聯網技術的新興混合芯片以及片上傳感器應用中的電子和光子學之間的超緊湊電光開關方面擁有用武之地。