納米棒新型光纖傳感器對光開關的控制

崔海花 張 奎

（河南科技職業大學a.機電工程學院；b.信息工程學院，河南周口 466000）

0 引 言

隨著社會的快速發展和不斷的進步，光子集成技術已經成為信息通信技術的熱門領域，用光子代替電子的時代即將來臨。目前，微芯片系統主要朝著小型化、集成化的光子器件發展［1-2］，因此，研究新型的光子器件已經顯得迫不及待。但是，納米級別的光子器件會受到光衍射的限制無法繼續向更小的尺寸發展［3-4］。以光和貴金屬作用產生電磁模式為主的表面等離激元［5-6］（Surface Plasmon，SP）的出現可突破這種限制，解決光學衍射的達到的極限能力［7-8］。

目前，基于SP的多種光學器件已得到業界廣泛的研究。其中，作為最基本光子器件的光開光更是得到廣泛青睞。如研究學者提出了各式各樣納米結構光開關［9］，劉正奇教授通過對低強度光的控制完成了高折射率電介質諧振結構開關的設計，其設計的開關帶寬為亞納米且具有很高的Q值；張新亮教授利用一個Fabry-Perot諧振器和納米束腔設計了一個全光開關，其設計的開關可利用Fano效應快速實現響應［11］。Cai等［12］制作了空氣-石墨烯-基板-電介質結構，這種結構可通過改變石墨烯上的電壓完成對光開關的調控。但是，上述兩種方案均有一些問題，首先很難實現Fano共振，且Fano光開關對其周圍的環境極其敏感，稍不注意就會造成開關的特性出現不穩定現象；雖然電壓調制開關具備簡單的調制方式，但是制作的器件很難達到小尺寸、快響應及低耗能。作為光的基本要素，偏振態對光學特性的作用及其重要，且有關偏振態的光學研究已有一定的基礎［13-14］，如果能通過對光偏振態的研究完成對光開關的控制將會是光學及儀器方面的又一重大突破。

本文提出了一種通過改變光入射時的偏振方向來達到對開關的控制，利用4個納米棒組成四聚體結構，這種結構的形狀跟矩形類似。首先，通過有限元對四聚體結構的透射光譜進行了分析，重點對其和偏振態的關系進行了研究；然后對其表面的電場與電荷分布進行了分析；最后對影響其透射光譜的參數進行了研究，闡明了各參數對開關特性的影響，這將為亞波長結構的開關設計和制造提供保證。

1 四聚體結構與計算方法

利用納米棒組成的四聚體結構排列圖如圖1（a）所示，四聚體結構呈矩形分布，每個單元的俯視圖如圖1（b）所示。每個結構單元均包含4個尺寸相同的Au納米棒（納米棒寬度和厚度分別為80 nm和50 nm），整體納米棒四聚體結構分布于厚度為100 nm的SiO2襯底上。將組成四聚體的橫納米棒和豎納米棒長度分別用l1和l2表示，橫納米棒和豎納米棒的間距用d1表示，豎納米棒的中間距離用d2表示，為80 nm。每個單元結構的周期參數分別用Px、Py表示。

圖1 納米棒排列組成的四聚體結構示意圖

本文涉及的數值仿真均由Comsol Multiphysics 5.2a軟件完成。另外，分別選用完美匹配層和周期性作為光傳播方向和其他傳播方向的邊界條件。因此，本文只需完成結構單元的數值仿真即可。以Drude作為色散模型［15］的Au的介電常數，

式中：介電常數ε∞的值為7；ωp表示等離子體頻率，其值為1.37×1016rad/s，γ表示碰撞頻率，其值為4.08×1013rad/s。

2 結果與討論

2.1 偏振角改變產生的開關效應

當l1=l2=200 nm，d1=40 nm時，由納米棒組成的四聚體在偏振角為0°和90°時的透射光譜如圖2（a）所示。從圖可以看出，四聚體結構在λ1=1.26μm和λ2=1.29μm處出現了較為明顯的透射谷。當偏振角為0°時，λ1=1.26μm處透射率僅為0.14%（見圖2（a）的Ⅱ處），λ2=1.29μm處的透射率為84.81%（見圖2（a）的Ⅲ處）；當偏振角為90°時，λ1=1.26μm處透射率為84.53%（見圖2（a）的Ⅰ處），λ2=1.29 μm處的透射率僅為0.58%（見圖2（a）的Ⅳ處）。由此可得，當波長相同時，通過將偏振方向改變90°可實現光的開關特性，且開關比分別高達27.81和21.65 dB。

為了對四聚體結構通過偏振態實現光開關的控制機理進行分析，本文分別給出了Ⅰ（波長λ1=1.26 μm，偏振角為90°）、Ⅱ（波長λ1=1.26μm，偏振角為0°）、Ⅲ（波長λ2=1.29μm，偏振角為0°）、Ⅳ（波長λ2=1.29μm，偏振角為90°）這四處的電場和電荷分布圖，如圖2（b）所示。①在Ⅰ處，可以看出四聚體結構的電場因為沒形成共振而直接發生了透射，因此具有很高的透射率。②在Ⅱ處，電場分別分布于橫納米棒的端點處和豎納米棒兩側及其間隙處，可看出這些納米棒發生了明顯的偶極振動現象，由此形成了產生電場輻射損耗的超輻射共振模式，導致了四聚體結構的低透射率。③在Ⅲ處，電場的分布僅出現于橫納米棒的端點處，且較為微弱，因此納米棒幾乎不會出現電荷振蕩，所以入射光的透射率較高。④在Ⅳ處，豎納米棒由于受到入射光的激發而發生了偶極振動，其近場耦合導致橫納米棒也發生了偶極振動，電場分別分布于橫納米棒的兩側、豎納米棒端點處及兩者間隙處，橫豎納米棒由于同相偶極振動產生的強電場輻射損耗導致入射光較小的透射率。

圖2 納米棒組成的四聚體的透射光譜、電場分布圖

2.2 不同偏振角對光開關調控效果

為了研究四聚體結構的透射性與偏振角之間的關系，本文給出了結構在偏振角為0°～90°的透射光譜，如圖3（a）所示。從圖上可以看出，λ1=1.26μm處的透射谷隨著偏振角的增大慢慢消失，但λ2=1.29μm處正好相反，其隨著偏振角的增大慢慢出現了一個透射谷。為了進一步研究偏振角對透射光譜的調制特性，本文給出了不同偏振角下四聚體結構的電場分布，如圖3（b）所示。當λ1=1.26μm時，四聚體結構的電場主要出現在偏振角為0°時，這是因為入射光與納米棒發生了耦合作用產生的近電場導致。隨著偏振角的逐漸增大，入射光波長和納米棒的尺寸逐漸無法匹配導致相互的耦合作用減弱，因此透射谷隨著偏振角的逐漸增大而消失。而λ2=1.29μm的入射光正好相反，其與四聚體結構的耦合隨著偏振角的增大逐漸增強，導致橫豎納米棒的偶極振動模式逐漸增強，因此會出現越來越深的透射谷。

圖3 四聚體結構隨偏振角變化的透射光譜及電場分布

為了對四聚體結構開關的調控效果進行研究，本文用Malus Law對透射系數和偏振角的關系進行了分析［16-17］。與Malus Law的對比實驗如圖4所示，分別計算了兩個波長隨偏振角變化的透射系數（角度以每15°逐漸增大）。從圖上的結果可以看出，偏振態開關的調控與Malus law的變化趨勢一致，金屬的損耗、部分光的吸收及反射造成了數值和振幅的差距。

圖4 透射系數與偏振角關系

2.3 偏振光開關的性能

為了對光開關的性能進行分析，本文對其開關比、靈敏度及品質因子進行了計算。開關比

當λ1=1.26μm時，Ton=84.53%，Toff=0.14%，通過計算可得開關比EXTλ1=27.81 dB。透射谷與介質層折射率（折射率以0.02的幅度從0.96增至1.04）的關系如圖5（a）所示。光開關的靈敏度曲線如圖5（b）所示。品質因子由下式計算，FOM=151.6。

圖5 θ=0°時，透射率與介質層折射率的關系及靈敏度曲線

當λ2=1.29μm時，Ton=84.81%，Toff=0.58%，通過計算可得開關比EXTλ2=21.65 dB。透射率與介質層折射率（折射率以0.02的幅度從0.96增至1.04）的關系如圖6（a）所示。光開關的靈敏度曲線如圖6（b）所示。品質因子FOM=69.8。

圖6 θ=90°時，透射率與介質層折射率的關系及靈敏度曲線

2.4 結構周期參數對透射特性的影響

結構周期的大小對相鄰結構單元之間的相互作用具有非常重要的影響。因此，本文對不同周期的結構在偏振角為0°和90°的透射光譜進行了計算與分析，如圖7（a）、（b）所示。從圖上可以看出，透射谷隨著結構周期的增大發生了紅移且變得愈加狹窄。究其原因，對各周期結構的電場分布進行了觀察與分析，如圖7（c）所示。這是因為相鄰結構之間的距離隨著周期的增大而增大，這就導致納米棒之間的耦合增強，從而使透射谷發生了紅移現象。

圖7 不同結構周期下的透射光譜及透射率的電場分布

本文為了進一步分析偏振角為0°時周期對器件性能的影響，將縱向周期的參數設定為Py=1.20μm，橫向周期參數Px以0.05μm的幅度從1.10μm逐漸增至1.30μm，透射譜線如圖8（a）所示。從圖上看出，Px的變化幾乎不會對透射譜線造成任何影響。接著將橫向周期的參數設定為Px=1.20μm，縱向周期參數Py以0.05μm的幅度從1.10μm逐漸增至1.30 μm，透射譜線如圖8（b）所示。可以看出，透射谷隨著Py的增大發生了紅移變得愈加狹窄。因此，對透射谷處的電荷分布進行了觀察與研究，如圖8（c）所示。隨著Py增大橫豎納米棒均產生的偶極振動逐漸增強，這就使得各單元結構之間納米棒的耦合逐漸增強。同樣地，本文又對偏振角為0°時周期對器件性能的影響進行了分析，將縱向周期的參數設定為Py=1.20μm，橫向周期參數Px以0.05μm的幅度從1.10 μm逐漸增至1.30μm，透射譜線如圖9（a）所示。可以看出，透射谷隨著Py的增大發生了紅移變得愈加狹窄。從圖9（c）觀察這是由豎納米棒的偶極振動隨著Px的增大而增強導致。接著將橫向周期的參數設定Px=1.20μm，縱向周期參數Py以0.05μm的幅度從1.10μm逐漸增至1.30μm，透射譜線如圖9（b）所示。可以從圖上看出，Px的變化幾乎不會對透射譜線造成任何影響。這是因為納米棒的偶極振動不受Py的影響。

圖8 θ=0°時，不同Px和Py下透射光譜及透射率處的電荷分布

圖9 θ=90°時，不同Px和Py下透射光譜及透射率處的電荷分布

2.5 結構參數對透射特性的影響

為了研究四聚體結構參數與其透射特性的關系，分別研究了橫豎納米棒的長度（分別用l1和l2表示）及它們之間的間距（用d1表示）對透射特性的影響。當偏振角為90°時，設定l1=l2=200 nm，d1逐漸增大的透射光譜如圖10所示。從圖上可以看出，長波長處的透射谷隨著d1的增大發生了藍移且變得愈加狹窄。這是因為橫豎納米棒之間的偶極振動隨著d1的增大漸漸變弱，使損耗降低，從而使透射谷越變越窄。

圖10 不同間距d1下四聚體結構的透射譜

為研究橫豎納米棒的長度l1和l2對透射特性的影響。①當偏振角為0°時，將l2及d1分別設為200和40 nm，l1逐漸增大的透射光譜透射光譜如圖11（a）所示。由圖11可見，短波長處的透射谷隨著l1的增大發生了微弱的紅移且越變越寬，這是因為偶極子振動隨著l1的增大逐漸增強，導致損耗增大，使得透射谷逐漸變寬。②當偏振角為90°時，將l1及d1分別設為200 nm和40 nm，l2逐漸增大的透射光譜透射光譜如圖11（b）所示。從圖上可以看出，長波長處的透射谷隨著l2的增大發生了非常明顯的紅移，這是因為偶極子振動隨著l2的增大而增強，導致損耗增大，使得透射谷逐漸變寬。

圖11 不同橫豎納米棒長度下四聚體的透射譜

3 結 語

本文提出了一種由4個納米棒組成的類似矩形的四聚體結構，該結構可通過改變光入射時的偏振方向來達到對開關的控制。利用有限元法對偏振角為0°和90°時的透射譜、電場及電荷分布進行了分析與研究。結果表明，本文設計的這種四聚體結構的透射光譜對偏振角的變化相當敏感，一旦偏振角發生90°的變化即可實現該結構對光開關的控制，且開關比可高達27.81 dB。然后又對不同的結構周期和參數對透射特性的影響進行了研究。表明光開關的響應特性均可通過改變結構單元周期、d1、l1、l2完成調節。