半球形金纳米壳阵列-单向双波段超快光学开关

光通信技术中,全光开关是通信系统的节点器件。开关的速率和光学转换效率直接影响通信的速度和容量。高性能的全光开关不仅是光通信技术发展的关键,也是集成光学和光学回路研究的重点。金属纳米光子结构由于其中局域等离激元及其与光学共振模式间耦合作用导致的高对比度、高幅度光学调制而成为全光开关器件的重要选择。特别是,基于等离激元的超快光谱学响应特性,金属纳米光子结构为超快光学开关的发展提供了多方面的有利条件。

针对全光开关技术的需求,近期北京工业大学应用数理学院张新平课题组设计了一种单向双波段工作的超快光学开关器件。该器件不仅具有单方向工作的特点,而且能够在双波段实现超快开关效应,并在不同波段表现出不同的开关速度。该超快光学开关器件由连续金纳米薄膜连接的半球形金纳米壳阵列构成。结构制备过程中,首先利用干涉光刻技术在镀有ITO薄膜的玻璃基底上制备周期为400 nm,调制深度为140 nm的光刻胶纳米半球阵列模板。再利用热蒸镀技术在模板上沉积一层厚度为50 nm的金膜,形成被连续金膜连接的金纳米半球壳阵列。光激发下,在金膜与ITO的界面处形成偶极子等离激元,该共振模式的中心波长为750 nm。同时,半球壳与连续金膜相互作用,在半球壳内部及其与金膜交界处形成具有六极子共振特性的等离激元,该共振模式的中心波长位于640 nm。两种等离激元共振模式在反射光消光光谱中可被识别为高对比度、高强度的共振峰。

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利用飞秒泵浦探测技术,对该结构的超快动力学特应进行了测试。结果表明,偶极子等离激元具有270 fs的共振寿命。该寿命是由导带电子的集体性振荡过程决定的。而六极子等离激元却具有长达610 fs的共振寿命。这是由于该模式具有多极共振特点,电子在不同路径上形成集体性振荡。不同路径的电子共振过程相互作用、相互影响,可以等效为多重偶极子共振模式的叠加,导致了共振寿命的延长和共振光谱的展宽。另外,处于两个不同波段的两种不同等离激元具有不同的瞬态光学调制效率。实验表明,偶极子共振模式可实现高达27%的光学调制,而六极子共振模式的调制幅度则小于4%。器件结构参数的优化将为开关的速度和效率提供进一步的提升空间。

获得实用化、高性能的全光开关器件还需要大量的研究和技术开发工作。此项工作仅为相关研究提供了一些新的思路。该工作发表于Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201601088),第一作者为北京工业大学应用数理学院博士生林远海。

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