銀納米線表面等離激元波導的能量損耗?

王文慧 張孬

(西安交通大學理學院,西安 710049)

(2018年11月23日收到;2018年11月29日收到修改稿)

金屬納米結構的表面等離激元可以突破光學衍射極限,為光子器件的微型化和集成光學芯片的實現奠定基礎.基于表面等離激元的各種基本光學元件已經研制出來.然而,由于金屬結構的固有歐姆損耗以及向襯底的輻射損耗等,表面等離激元的傳輸能量損耗較大,極大地制約了其在納米光子器件和回路中的應用.研究能量損耗的影響因素以及如何有效降低能量損耗對未來光子器件的實際應用具有重要意義.本文從納米線表面等離激元的基本模式出發,介紹了它在不同條件下的場分布和傳輸特性,在此基礎上著重討論納米線表面等離激元傳輸損耗的影響因素和測量方法以及目前常用的降低傳輸損耗的思路.最后給出總結以及如何進一步降低能量損耗方法的展望.表面等離激元能量損耗的相關研究對于納米光子器件的設計和集成光子回路的構建有著重要作用.

1 引 言

隨著現代信息技術的飛速發展,人們對于集成器件的性能和傳輸速度要求越來越高,而傳統半導體集成電路的進一步發展面臨瓶頸.隨著電子元件尺寸的不斷減小,發熱和量子效應等問題嚴重影響到器件的性能.光子作為信息的載體具有更高的傳輸速度和帶寬等優點,因此科學家們期望通過構建集成光子器件和光電子器件來解決上述問題[1?3].傳統光學器件的特征尺寸通常在光波長以上,由于光學衍射極限的限制,光學器件的微型化受到制約,無法實現高度集成化.存在于金屬結構中的表面等離激元(SPPs)可以實現突破光學衍射極限的長程傳播,這一特性使得光子器件的微型化及光電子器件在芯片上的集成化成為可能,SPPs是近年來非常熱門的研究領域之一[4,5].SPPs是入射光波與金屬表面自由電荷集體振蕩相互耦合的一種非輻射電磁模式,主要包含局域表面等離激元和傳播的表面等離激元兩種形式.局域表面等離激元主要存在于金屬納米顆粒或特定的金屬納米結構中,具有很強的空間局域性.后者主要存在于金屬薄膜(或納米線)與介質的界面處,可以沿界面長程傳播,同時具有很強的場局域特性.它在界面兩側沿垂直方向呈指數衰減,在金屬中的穿透深度δm大約為幾納米,在介質一側的穿透深度δd約為幾十納米[1];常見的傳輸SPPs的波導結構有金屬薄膜[6,7]、金屬納米顆粒(孔)陣列[8,9]、微納金屬條(槽)[10?12]和金屬納米線[13?15]等. 其中,金屬納米線作為光子器件和回路的基本單元,其SPPs的傳輸特性引起廣泛的研究興趣:SPPs在納米線中的傳輸速度[16]、納米線末端的發射角度和發射偏振[17,18]等.這些特性對納米線的尺寸、形貌以及入射激光的偏振有較大依賴.此外,實驗上觀測到納米線上SPPs的傳輸具有手性,在特定條件下可以形成拍頻場強分布[19,20];通過改變入射偏振可以調控SPPs沿主干納米線或枝干納米線的傳輸;有銀薄膜存在時,納米線兩側發射出周期性的平行光束[21]等.基于SPPs的這些傳輸特性,可以實現功能化的納米光子器件,如:光學路由器[22]、全光邏輯門[20,23]、納米激光源[24],以及采用納米線場效應晶體管實現電信號探測SPPs[25,26]等.這些研究工作極大地推動了基于SPPs的納米光子器件和集成芯片的實現,并且為納米光電子器件在同一芯片上的聯姻奠定了基礎[27].近期,Chen等[28]利用納米線與金膜之間的腔等離激元實現了亞皮米縱向距離分辨,這對于超高靈敏傳感的發展有著重要的作用.

銀納米線作為傳輸SPPs的波導結構,在可見光和近紅外波段具有相對較小的損耗[29].采用化學法制備的銀納米線具有五重孿晶結構[30?33],表面光滑無缺陷,是傳輸SPPs的理想材料[34].盡管如此,銀納米線中SPPs的能量傳輸損耗仍然較大,而這對光子器件的性能和信號傳輸有著重要的影響.研究銀納米線中SPPs能量傳輸損耗的影響因素和如何有效降低傳輸損耗對基于銀納米線SPPs的光子集成器件和回路的發展具有重要的意義.本文正是圍繞能量傳輸損耗這一方向,介紹了國內外相關的研究工作進展.具體內容安排如下:第2部分主要介紹銀納米線所支持的SPPs模式及其傳輸特性;第3部分介紹銀納米線上SPPs能量損耗的影響因素和測量方法;最后給出目前常用的降低傳輸損耗的方法.

2 銀納米線SPPs的模式及傳輸特性

銀納米線SPPs的傳輸特性很大程度上取決于納米線所支持的SPPs模式.這里先介紹幾種基本的模式,然后討論納米線SPPs新奇的傳輸特性.

2.1 均勻介質中銀納米線SPPs的傳導模式

對于均勻介電環境中的圓柱形細納米線,|m|>2的高階模都會被截止,因此只考慮m=0和m=±1兩種模式[35].TM0(m=0)和 HE?1(m=±1)模在真空中的電場分布如圖1(a)和圖1(b)所示(均勻介質中HE+1和HE?1簡并,均用HE1表示).可以看出m=0模場沿納米線對稱分布,電子沿納米線軸向集體振蕩;m=±1模場垂直于納米線振蕩,前者比后者對電場的束縛能力更強[36].圖1(c)給出了兩種基本模式的有效折射率和傳播長度隨納米線半徑的變化規律.不同的模式具有不同的有效折射率,由于相位差的存在會在納米線的兩邊出現干涉相長和干涉相消,當不同模式相干疊加時,電磁場會在納米線上呈現出螺旋分布、拍頻分布和zigzag等分布形式[19,20,37].

圖1 (a)和(b)空氣中銀納米線所支持的兩種最低階模式的電場分布,納米線半徑為60 nm,激發光波長為633 nm;(c)TM0和HE1模的有效折射率和傳播長度隨納米線半徑的變化關系圖[36]Fig.1.(a)and(b)Electric field distributions of two lowest order modes in a sliver nanowire with a radius of 60 nm at the excitation wavelength λ=633 nm;(c)the effective refractive index and propagation length of the TM0and HE1modes as a function of the nanowire radius.Reprinted with permission from Ref.[36]Copyright 2014 Springer Nature.

2.2 襯底上銀納米線SPPs的傳導模式

以上討論的是均勻介質中的銀納米線,實際中銀納米線需要放置于襯底之上,襯底的存在破壞了體系原有的對稱性,納米線上的模式將會發生顯著改變[38,39].襯底與納米線之間的相互作用使得原有的SPPs模式之間相互耦合,產生H0,H1和H2等新的雜化模式[40].圖2(a)給出了空氣中和襯底上銀納米線分別支持的三種最低階模式的色散關系(以圓柱形納米線為例).圖2(b)顯示了在襯底的作用下,SPPs模式相互作用發生雜化的原理圖.當入射光偏振平行于納米線時激發H0模和H2模;當入射光偏振垂直于納米線時激發H1模.一般來說,H0模是等離激元束縛模(低頻區域除外),電場被局域在納米線和襯底的交界面處,有效折射率大于襯底的折射率;H1和H2是等離激元泄漏模,有效折射率小于襯底的折射率.三種雜化模式的電荷和能量分布如圖2(c)所示.隨著納米線直徑的增大,等離激元泄漏模會逐漸增多.在傳播的過程中,由于波矢不同,將在納米線上疊加形成不同的能量分布[40].

圖2 (a)銀納米線分別放置于空氣和玻璃襯底上時SPPs模式的色散關系(R=100 nm)[40];(b)襯底誘導的模式雜化原理圖[40];(c)玻璃襯底上銀納米線三種雜化模式的電荷和能量分布[40];(d)銀納米線表面的電荷密度分布[19];(e)銀納米線上不同位置橫截面的平均能流分布,位置間隔為0.2μm;白色箭頭表示電磁場能量沿納米線呈螺旋分布[19];(f)SPPs螺旋的螺距與納米線半徑的關系[19];(g)手性SPPs的量子點熒光圖像,其中圖i為銀納米線的光學顯微鏡圖像(標尺為5μm),圖ii和v為不同入射偏振光激發下的量子點熒光圖像,圖ii和iii分別為右旋、左旋的SPPs[19]Fig.2.(a)Dispersion relationship of the three lowest order modes in a silver nanowire(R=100 nm)in air and placed on an air-glass interface respectively;(b)schematic drawing of primary plasmons interact with dielectric substrate;(c)normalized surface charge contour(left)and time-averaged power flow(right)of the three hybridized modes H0,H1and H2.Reprinted with permission from Ref.[40]Copyright 2012 American Chemical Society.(d)Surface charge density on a Ag nanowire;(e)time-averaged power flow in the y-z plane at different positions along the nanowire in steps of 0.2μm(the white arrows highlight the rotation of electromagnetic energy);(f)periods of the plasmon helix as a function of nanowire radius;(g)optical microscopic image of Ag nanowire show in(i)with scale bar 5μm;fluorescence images of chiral SPPs with right-handed(ii)and left-handed(iii)SPPs,(iv)and(v)with incident polarization parallel and perpendicular to the nanowire axis.Reprinted with permission from Ref.[19]Copyright 2011 American Physical Society.

以上幾種模式在納米線中并不是單獨存在的,各個模式所占的比例受納米線的直徑、端頭形狀、激發條件等因素的影響.特定條件下不同模式在傳播過程中相干疊加會產生沿納米線螺旋狀的場分布[19](圖2(e)),這種場具有左旋和右旋的手性.手性SPPs取決于模式的相位差,可以通過激發光的偏振來調控.從圖2(f)可以看出螺旋場的旋轉周期隨納米線半徑的增大而增大,當半徑增大到一定值時,納米線上模式數量足夠多,螺旋場消失.圖2(g)用量子點熒光成像給出了銀納米線上SPPs在不同偏振光的激發下的電場分布.量子點熒光成像能夠直觀地顯示出納米結構上SPPs的場分布,在研究SPPs的新奇傳輸特性方面功不可沒.

納米線上局部結構的對稱性破缺會導致納米線上場分布發生明顯改變.在一定的激發條件下SPPs場沿納米線兩側呈對稱分布,當引入納米顆粒后,由于顆粒的散射造成納米線上SPPs的傳導模式發生轉換,經過納米顆粒后場分布變為非對稱的zigzag分布[36].多個納米顆粒存在的情況如圖3(a)所示,A,B,C分別代表銀納米線上附著的三個納米顆粒.當納米顆粒所處的位置是能量波峰時就會散射光子,呈現亮斑,處在能量波谷的位置時會呈現暗斑.激發光的偏振方向發生改變時,銀納米線上對應的能量分布會隨之改變,因此A,B,C三個納米顆粒的散射光強就會隨激發光偏振角的改變而周期性地改變[41].同樣地,把納米顆粒換為短納米線就可以通過入射光的偏振調控SPPs沿主干和分支納米線的傳輸,實現光學路由功能[22].在銀納米線表面刻蝕光柵微結構,可以實現不同頻率的光在微小空間的分離[42].將幾根銀納米線組裝在一起形成簡單的網絡結構(見圖3(e)),通過控制入射光的偏振和相位,可以控制SPPs沿該結構的傳播方向,從而控制輸出端的光強(見圖3(f)),基于此可以實現全光邏輯門[20,23].關于納米線SPPs傳輸特性的研究對基于SPPs的納米光子器件和回路的設計具有重要的意義.

圖3 (a)納米線-納米顆粒體系的明場顯微圖像(標尺為5μm)[41];(b)對應的量子點熒光圖像[41];(c)在不同的激發光偏振下對應的銀納米線上傳播的SPPs的光學圖像[41];(d)圖(c)所對應的量子點熒光圖像[41];(e)銀納米線網絡結構的光學圖像[20];(f)網絡結構的O1和O2末端在不同入射信號輸入下的出射光強變化情況[20]Fig.3.(a)White light image of a nanowire-nanoparticle system with scale bar 5μm;(b)fluorescence image of the system for wide field illumination;(c)scattering optical images of the propagating SPPs on the nanowire at different excitation polarizations;(d)fluorescence images corresponding to panel(c).Reprinted with permission from Ref.[41]Copyright 2014 Royal Society of Chemistry.(e)Optical image of the Ag NW network;(f)the intensity of scattering light at O1 and O2 terminals for different input conditions.Reprinted with permission from Ref.[20]Copyright 2011 American Chemical Society.

3 銀納米線SPPs波導中的能量損耗

銀納米線中SPPs傳輸的能量損耗主要來自于以下幾個方面:金屬材料本身的歐姆損耗、納米線表面缺陷引起的散射損耗、輻射損耗以及襯底的吸收,如圖4所示.一般來說,從實驗中測量得到的損耗是這些損耗之和.

圖4 銀納米線傳播SPPs所產生的損耗Fig.4.Propagation losses of SPPs along a Ag NW on substrate.

3.1 銀納米線上SPPs能量損耗的影響因素

歐姆損耗的大小與納米線中電場強度的大小成正比,場強越大損耗越大.而納米線中不同SPPs模式的電場強弱很大程度上取決于該模式的局域性高低.局域性越高,場在金屬內所占的比例越大,因而損耗越大.這就是我們所熟知的SPPs的傳播距離與局域性之間的平衡[29].如果想要減小歐姆損耗,得到比較長的傳播距離,往往需要犧牲場的局域性,反之亦然.模式的局域性高低可以通過模式的有效面積這一參數來反映[43?45].

激發光的波長和納米線直徑都會影響到SPPs的能量傳輸損耗.一般來說,激發光的波長越長、銀納米線的直徑越大,SPPs的能量損耗越小[46?48].另外,為了減小表面缺陷引起的散射損耗,應盡可能地選取表面光滑的銀納米線[49].如果納米線周圍存在其他納米結構,也會由于對稱性破缺而引起散射損耗的增加[50,51].

納米線周圍的環境對能量損耗也有重要的影響,如襯底對輻射損耗的影響.襯底的介電常數是影響納米線SPPs能量損耗的一個重要參數.一般來說,納米線的傳輸損耗隨襯底折射率的增大而增加,增加到一定值后銀納米線與襯底的耦合達到飽和,傳播長度不再改變(見圖5(a)).另外,襯底的吸收造成的損耗有時也需要考慮.對于介電常數相近的電介質,例如SiC(n=2.63)和CdTe(n=2.86+0.238i),由于CdTe的帶隙(1.5 eV)與633 nm激發光(1.96 eV)相近,從而造成CdTe襯底帶隙的吸收,導致額外的損耗,使得銀納米線上SPPs在CdTe襯底上傳播長度小于在SiC襯底上的傳播長度[39](見圖5(b)).

在襯底上增加介質層會使銀納米線與襯底之間形成Gap結構,不同種類和厚度的Gap層對銀納米線上SPPs的傳輸有重要的影響[43,52,53].Zou等[38]從理論上計算出了不同厚度的空氣Gap層對銀納米線SPPs有效折射率和傳輸損耗的影響.隨著Gap層厚度的增加,襯底對銀納米線的影響逐漸減弱,使得SPPs的有效折射率單調遞減,最后趨于在空氣中的值(圖5(d)).Gap對傳播長度的影響較為復雜,需要從近場到遠場分三個階段來考量,具體如圖5(e)所示.

硅襯底上沉積不同厚度的二氧化硅層對銀納米線SPPs傳輸性能的影響如圖5(f)和圖5(g)所示.當Gap層厚度d<200 nm時,雖然激發光的耦合效率隨著d的減小而增大,但納米線與硅襯底之間距離的減小造成了更大的損耗,兩者共同作用使納米線末端發光在d=110 nm時達到最強(見圖5(g)).當Gap層厚度d>200 nm后,銀納米線與硅襯底的相互作用減弱,使得傳播長度不再改變.此時納米線末端的發光強度主要取決于激發光的耦合效率[39].

在實際制備納米光子器件時,不可避免地會出現彎曲的波導結構,這種結構對SPPs的能量傳輸損耗會帶來怎樣的影響,是一個很重要的研究內容.Wang等[54]從實驗上對單根銀納米線在連續彎曲過程中的能量損耗進行了系統的研究.他們發現僅由納米線彎曲帶來的能量損耗與彎曲半徑有關.圖6給出了銀納米線在不同彎曲半徑時對應的能量損耗.從暗場圖像可以看出,隨著納米線彎曲程度的增大,納米線末端發射的光強明顯減弱.在制備納米光子器件時,應盡可能地避免納米線波導的彎曲或減小彎曲程度,這對于器件結構的設計有著重要的借鑒作用.

3.2 SPPs傳輸損耗的測量

實驗上常用的測量傳輸損耗的方法有法布里-珀羅干涉法、光纖耦合法和場強的可視化方法.下面將對這幾種測量方法做詳細的介紹.

圖5 (a)計算的SPPs傳播長度隨襯底折射率的變化關系[39];(b)GaP,SiC,和CdTe三種不同襯底下納米線末端發射光強與納米線長度之間的關系,其中納米線直徑D=90—100 nm,激發光波長為633 nm[39];(c)Gap厚度g=2,50和200 nm時銀納米線SPPs的截面場分布圖,其中納米線直徑d=100 nm,nsub=1.45[38];(d)銀納米線中SPPs的有效折射率和(e)傳播長度隨Gap厚度的變化關系[38];(f)三種不同厚度的SiO2層對應的銀納米線末端發光光強與納米線長度的關系,其中納米線長度為4—4.5μm,直徑為90—100 nm[39];(g)納米線末端出射光強、激發光耦合效率和SPPs傳播長度隨SiO2厚度的變化關系[39]Fig.5.(a)The calculated propagation length as a function of the refractive index of the substrate;(b)the relationship between the terminal emission intensity and the length of nanowires on different substrates of GaP,SiC,and CdTe respectively(the diameters of the nanowires are D=90–100 nm,the wavelength of excitation light is 633 nm).(c)The cross-sectional field distribution of silver nanowire SPPs at g=2,50 and 200 nm(the diameter of nanowire d=100 nm,nsub=1.45);the relationship between the effective refractive index(d)and propagation length(e)of SPPs in silver nanowires and the thickness of Gap.Reprinted from Ref.[38]with the permission of AIP publishing.(f)The relationship between the terminal emission intensities and the length of the nanowire corresponding to three different thickness of SiO2layers(the length of the nanowire is 4–4.5 μm,the diameter is 90–100 nm);(g)the terminal emission intensity of the nanowire,the coupling efficiency of excited light and the propagation length of SPPs as a function of SiO2thickness,respectively[39].(a),(b),(f),(g)Reprinted with permission from Ref.[39].Copyright 2010 American Physical Society.

圖6 (a)銀納米線在不同彎曲半徑時的明場光學圖像,標尺為5μm;(b)與圖(a)相對應的SPPs傳輸的暗場光學圖像;(c)彎曲損耗與彎曲半徑的關系圖[54]Fig.6.(a)Bright-field optical images of the Ag nanowire for varying bending radii;the scale bar is 5μm;(b)the dark field optical image after stimulated SPPs by tapered fiber for the corresponding(a);(c)the relation schema of bending loss and bending radius.Reprinted with permission from Ref.[54]Copyright 2011 American Chemical Society.

對于一定長度的銀納米線,傳播的SPPs在端面處除了一部分以光子的形式散射出來外,還有一部分會被端面反射而反向傳播并與前行的波干涉,在納米線上形成SPPs駐波.納米線可以看作法布里-珀羅干涉腔.SPPs發射光譜被法布里-珀羅諧振所調制,如圖7(a)所示,相對調制深度?I/Imin由下式給出:

式中A和R分別是傳輸損耗和納米線末端反射率,A=e?L/Lsp,其中L是納米線的長度,Lsp是SPPs沿納米線的傳播長度,定義為SPPs場強沿納米線降低到1/e初始強度時所對應的長度.通過測量不同納米線長度下所對應的相對調制深度,可以得到納米線末端反射率R、傳播長度Lsp以及相應的傳輸損耗[55](見圖7(b)).另外對納米線末端的發射光譜進行傅里葉變換分析,也可以得到納米線的損耗參數和末端反射率[49].利用法布里-珀羅諧振法測量傳輸損耗與銀納米線的端面反射率有密切的關系,但是制備的銀納米線的端面是各不相同的,因此會造成一定的誤差.另外這種諧振只能在較短的銀納米線中觀察到,因此這種方法不適用于較長銀納米線的傳輸損耗測量.

測量SPPs沿納米線衰減的最直接的方法就是將納米線上的場強分布借助其他途徑呈現出來.例如把熒光分子或量子點經過處理后均勻涂覆在銀納米線上,它們的發光強度與所在位置的場強成正比,因此發光強度的變化反映的就是場強分布的變化[16,20,21,56].通過測量不同位置的場強就可以得到SPPs沿著納米線的能量損耗.采用掃描近場光學顯微鏡也可以觀測納米線上SPPs的近場分布,但是操作相對復雜[55,57?59].Wild等[16]把含有染料分子的PMMA薄層包覆在納米線上,用光學顯微鏡將激光束聚焦在納米線的一端激發SPPs,傳播的SPPs就會激發染料分子的雙光子熒光,熒光強度沿納米線呈指數衰減(見圖7(c)和圖7(d)).納米線上熒光強度的變化揭示了SPPs沿納米線的強度分布:

通過擬合(2)式中熒光強度Iflour和傳播距離x的關系,就可以得到納米線SPPs的傳播長度Lsp.

測量能量損耗的另外一種方法是光纖耦合法[47,60].通過比較不同傳播距離下納米線末端的出射光強得到傳輸損耗.入射激光通過錐形光纖耦合激發納米線的SPPs,改變入射光纖在納米線的位置即可得到不同傳播距離下對應的末端出射光強(見圖7(e)).出射光強隨傳播距離的增大呈指數形式衰減:

其中傳播距離x為入射激光耦合處到納米線末端的距離,Ix為銀納米線末端的光強.如圖7(f)所示,改變光纖在納米線的耦合位置就可以得到數組x和Ix的值,通過(3)式的指數擬合就可以得到傳播長度Lsp.

圖7 (a)銀納米線兩個末端的散射光譜[55];(b)在785 nm的波長下,不同納米線長度對應的相對調制深度(?I/Imin)[55];(c)銀納米線傳播的SPPs激發的雙光子熒光圖像[16];(d)雙光子熒光強度與納米線對應位置的關系圖[16];(e)光纖耦合法測量銀納米線上SPPs傳輸損耗的明場和暗場光學圖像[61];(f)不同傳播距離下銀納米線末端的出射光強和傳輸損耗[61]Fig.7.(a)Scattering light spectra of silver nanowires distal end faces;(b)spectral modulation depth around a light wavelength of 785 nm as a function of nanowire lengths.Reprinted with permission from Ref.[55]Copyright 2005 American Physical Society.(c)Image of two-photon fluorescence excited by SPPs propagating along a silver nanowire;(d)two-photon fluorescence intensity as a function of the position along the nanowire.Reprinted with permission from Ref.[16]Copyright 2012 American Chemical Society.(e)Measurement of propagation loss for SPPs propagation along silver nanowire using optical fiber coupling method;the left column are bright-field optical images and the right column are corresponding dark-field optical images;(f)the terminal emission intensity and propagation loss at different propagation distances.Reprinted from Ref.[61]Copyright 2018,with permission from Elsevier.

采用光纖耦合法測量傳輸損耗操作簡單,且距離的改變是在同一根納米線上進行的,能夠準確得到單根納米線的傳輸損耗.除了這種常見的普通光纖外,Meng等[62]提出了用染料摻雜聚合物(RhB/PVP)納米光纖來大批量測量銀納米線傳輸損耗的方法.他們將銀納米線隨機旋涂在襯底上,然后將制備的染料摻雜聚合物納米光纖轉移到襯底之上.此時,光纖就會與銀納米線形成各種交叉結構.用寬場入射光聚焦光纖激發寬帶光致發光,銀納米線與光纖交叉節點處的散射光就會激發沿納米線傳播的SPPs,最后在納米線的兩端以光子的形式耦合出來.由指數衰減(3)式可以得到

式中1和2對應納米線的兩個末端,通過測量不同交叉結構激發點到納米線兩個末端發光點的距離以及對應的末端發光光強,就可以得到這一批納米線的傳播長度Lsp.

圖8 (a)三種不同襯底上銀納米線的場強分布 ((i)SiO2上沉積一層30 nm厚的Si;(ii)SiO2襯底;(iii)Si襯底)[40];(b)對應(a)中納米線上的焦耳熱分布[40];(c)銀納米線放在多層電介質襯底上并用光纖尖端激發的示意圖[63];(d)泄漏模H1x的有效折射率和傳播距離與納米線直徑的關系,插圖為直徑為90 nm的銀納米線H1x模的電場分布[63]Fig.8.(a)Field intensity distribution of Ag nanowire on three different substrates((i)a 30 nm thick Si layer is deposited on a SiO2substrate;(ii)a SiO2substrate;(iii)a Si substrate);(b)the joule heat distribution on the nanowire in(a).Reprinted with permission from Ref.[40]Copyright 2012 American Chemical Society.(c)Schematic diagram of silver nanowire placed on a dielectric multilayer substrate and excited by the optical fiber tip;(d)the effective refractive index and propagation distance of the H1xmode as a function of the diameter of the silver nanowire;the inset is the field distribution of H1xmode of silver nanowire with 90 nm diameter[63].Reprinted with permission from Ref.[63]Copyright 2018 American Chemical Society.

4 降低能量損耗的方法

相比于物理法制備的銀納米線,化學法制備的銀納米線為單晶結構,具有規則的形貌和光滑的表面,因此缺陷散射引起的能量損耗就會顯著降低,是SPPs波導的理想材料.但是由于SPPs強烈的場局域特性,納米線自身的歐姆損耗較大,再加上SPPs向周圍介質中的輻射損耗等,SPPs在納米線中的能量損耗依然很大,有效降低SPPs的能量損耗對集成光子回路和器件的發展有著重要的作用.

減小能量損耗較為簡單的一種方法就是在銀納米線和襯底之間增加一層適當厚度的高折射率介質層.例如在二氧化硅(n=1.46)襯底上增加一層30 nm厚的硅(n=3.48)介質層,該高折射率的介質層增加了SPPs的波矢,提供了一個光學屏障阻止SPPs向襯底的泄漏輻射,實現在通信波長(λ=1550 nm)下SPPs傳輸損耗的有效降低(見圖8(a)和圖8(b)).從圖8(a)中的(i)圖可以看到顯著的法布里-珀羅干涉現象,這種干涉在二氧化硅襯底(ii)和硅襯底(iii)中逐漸減弱,這是傳輸損耗的增加所造成的[40].如果采用多層電介質結構作為襯底也可以有效降低傳輸損耗.Zhang等[63]利用包含一個光子帶隙的多層電介質基板(14層)做襯底,用波長為630 nm的激光對銀納米線SPPs進行激發,如圖8(c)所示.實驗發現該襯底與單層Glass襯底相比,SPPs束縛模式H0的空間場局域性減弱,具有更遠的傳播距離;而泄漏模式在較小的納米線直徑下(d=70—90 nm)依然存在,且由于光子帶隙的存在抑制了泄漏模(H1x)的泄漏輻射.實驗測得直徑為90 nm的納米線在630 nm的激發光下,傳播距離達到16μm.

圖9 (a)和(b)分別為銀納米線/石墨烯復合結構和銀納米線在硅襯底上的示意圖[61];(c)和(d)為實驗測得的兩種襯底上SPPs的傳播長度統計圖[61];(e)為襯底上有增益介質時SPPs的激發示意圖[64];(f)三種不同激發條件下的光學顯微圖像[64]Fig.9.Schematic diagram of(a)Ag nanowires/graphene hybrid and(b)Ag nanowire on the Si substrate;the statistics of SPPs propagation length measured from these two types of structures are shown in panels(c)and(d)respectively[61].Reprinted from Ref[61]Copyright 2018,with permission from Elsevier.(e)Schematic diagram of exciting SPPs for Ag nanowire on gain medium;(f)optical microscopic images of the Ag nanowire under three different excitation conditions[64].Reprinted with permission from Ref.[64]Copyright 2014 American Chemical Society.

在銀納米線與硅襯底之間引入一層二維材料也可以有效降低SPPs的能量損耗.實驗發現石墨烯的引入使得納米線與襯底的相互作用發生改變,從而降低模式的場局域性,進而減小歐姆損耗.實驗統計測得,硅襯底上銀納米線SPPs的傳播長度Lsp為2—6μm,引入石墨烯后為4—8μm[61](見圖9).這種方法有利于硅基半導體器件與SPPs納米光子器件的結合.

在襯底上放置增益材料,可以補償SPPs傳輸過程中的能量損耗,從而達到增加傳播長度的目的.Paul等[64]將銀納米線放在含有羅丹明染料分子(R640)的PMMA增益介質之上,納米線的一端用633 nm的探測激光激發,用514 nm的抽運激光從納米線的下方經過增益介質進行激發,如圖9(e)所示.514 nm的抽運激光激發染料分子,染料分子的能量轉移到傳播的SPPs中,使得用兩種激光同時激發時納米線末端的出射光強比單獨用兩束激光激發的疊加光強有明顯增強(見圖9(f)).實驗得到了270 cm?1的增益系數和14%的損耗補償,增強因子隨抽運輻照度的增加而線性增加.

相比于金屬納米線,介質波導結構具有更低的傳輸損耗.將兩者結合起來構建復合波導結構,可以在降低損耗的同時兼具亞波長場局域特點[65].在ZnO NW-Ag NW復合結構中(如圖10(a)所示),光子和等離激元可以通過近場作用而相互耦合,因此光從納米光纖耦合進入ZnO納米線,激發沿銀納米線傳播的SPPs,銀納米線中的SPPs同樣能夠耦合進入ZnO納米線.由于ZnO納米線波導的引入,使得整個復合波導結構的能量損耗較低,光子-等離激元耦合效率高達80%[66].此外,采用增益材料硒化鎘(CdSe)納米線與銀納米線組成的X形等離激元復合波導,可以在納米線末端產生納米激光[24](見圖10(b));有機納米線也可以與銀納米線組成復合波導結構,實現不同的功能.在Ir(ppy)3有機納米線和銀納米線組成的有機復合波導結構中(見圖10(c)),基于光子-等離激元耦合效率隨復合納米線交叉角度的依賴關系可以實現光學路由功能[67];在BPEA有機納米線與銀納米線組成的復合波導結構中,分支納米線末端發射光強與入射光的偏振有較強依賴關系,基于此可以實現光學邏輯門功能[68](見圖10(e)和圖10(f)).這類復合波導結構相比于“全金屬”的光學路由器和邏輯門具有更低的損耗.

納米線在實際應用中不可避免地會出現彎曲,為了減小彎曲位置的能量損耗,要盡量減小納米線的彎曲程度,同時確保彎曲的地方平滑[54].在選擇襯底時不僅要考慮襯底與納米線之間的相互作用,而且要避免襯底帶隙吸收引起的能量損耗.另外,選用較粗的納米線也是一種比較好的方式.以上方法從不同的角度給出了降低銀納米線SPPs能量損耗的方法,為SPPs波導中能量損耗的研究提供了新思路.

5 總結與展望

銀納米線作為一維的SPPs波導結構在納米光子集成器件和回路上有著不可替代的作用.本文對銀納米線中SPPs能量損耗的機理進行了較為深入的分析,介紹了影響SPPs傳輸損耗的因素,并給出實驗上幾種測量傳輸損耗的方法,最后討論了如何有效地降低能量損耗.目前報道的幾種減小能量損耗的方法具有一定的啟發性,考慮到實際設計納米光子器件和集成芯片的成本和效率等因素,仍需要探索和發展更加有效的降低SPPs傳輸損耗的方法:可以進一步開發新的增益材料和增益結構來補償SPPs的傳輸損耗;發展新的復合波導結構,不僅可以有效降低能量損耗,而且與傳統半導體器件兼容,可集成度高.另外,納米線的能量損耗也有其有利的方面:借助輻射過程可以實現可控能量轉換,比如在銀納米線-銀薄膜體系中,基于納米線SPPs的輻射,將納米線SPPs模式轉換成薄膜的平行SPPs波束[21].在設計和制備納米光子器件和芯片時,能量損耗是必須考慮的一個重要因素,關于這方面的研究已成為本領域重要的研究方向,對未來納米光學回路和集成芯片的發展有著重要作用.