Plasmonics

等离激元学或纳米等离激元学^[1]指的是在纳米尺度上，沿金属-电介质界面产生、检测和操控光频信号。^[2]受光子学启发，等离激元学遵循光学器件小型化的趋势（另见纳米光子学），并在传感、显微术、光通信和生物光子学等领域得到应用。^[3][4]

原理

表面等离激元

等离激元学通常利用表面等离极化激元（SPPs）^[2]，即沿电介质（如玻璃、空气）与金属（如银、金）界面传播的相干电子振荡与电磁波的结合。SPP模式被强烈限制在其支撑界面上，从而产生强大的光-物质相互作用。特别是，金属中的电子气随电磁波振荡。由于移动电子受到散射，等离激元信号中的欧姆损耗通常很大，这限制了信号传输距离在亚厘米范围内，^[5]除非使用混合光等离激元导光网络^[6][7][8]或等离激元增益放大^[9]。除SPP外，金属纳米粒子支持的局域表面等离激元模式也被称为等离激元模式。这两种模式都具有大动量值，能够强烈共振增强光子态的局域密度，^[10]并可用于增强光电子器件的弱光学效应。^[4]

动机与当前挑战

目前正在努力将等离激元学与电子电路集成，或模拟电子电路，以结合电子学的尺寸效率与光子集成电路（PIC）的数据容量。^[11]虽然用于电子电路的CMOS节点栅极长度不断减小，但传统PIC的尺寸受到衍射限制，这构成了进一步集成的障碍。等离激元学可以弥合电子与光子元件之间的尺寸不匹配。同时，光子学与等离激元学可以相互补充，因为在适当条件下，光信号可以转换为SPP，反之亦然。

实现等离激元电路可行性的最大问题之一是表面等离激元的短传播长度。通常，表面等离激元在信号衰减之前仅能传播毫米级距离。^[12]这主要是由于欧姆损耗，而随着电场深入金属，这种损耗变得越发重要。研究人员正尝试通过研究多种材料、几何结构、频率及其各自特性来减少表面等离激元传播中的损耗。^[13]有前景的新型低损耗等离激元材料包括金属氧化物和氮化物^[14]以及石墨烯。^[15]更关键的设计自由度在于改进的制造技术，通过降低表面粗糙度进一步减少损耗。

等离激元电路面临的另一个可预见的障碍是热量；等离激元电路中的热量可能超过也可能不超过复杂电子电路产生的热量。^[12]近期有人提出通过设计支持俘获光学涡旋的等离激元网络来减少加热，这些涡旋使光功率流在粒子间间隙中循环，从而减少吸收和欧姆加热。^[16][17][18]除了热量，在电路中改变等离激元信号的传播方向而不显著降低其振幅和传播长度也很困难。^[11]解决传播方向弯曲问题的一个巧妙方法是使用布拉格反射镜将信号导向特定方向，甚至作为信号分束器。^[19]最后，等离激元学在热辐射操控^[20]和热辅助磁记录^[21]等新兴应用利用金属中的欧姆损耗来获得具有新增强功能性的器件。

波导

理想的等离激元波导设计力求在等离激元电路中最大化表面等离激元的约束度和传播长度。表面等离极化激元由复波矢表征，具有平行和垂直于金属-电介质界面的分量。波矢分量的虚部与SPP传播长度成反比，其实部定义SPP的约束度。^[22]SPP的色散特性取决于构成波导材料的介电常数。表面等离极化激元波的传播长度与约束度呈反比关系。因此，更强的模式约束通常导致更短的传播长度。实用且可用的表面等离激元电路的构建严重依赖于传播与约束之间的权衡。同时最大化约束度和传播长度有助于减轻选择传播长度而非约束度（反之亦然）的缺点。为了实现具有强约束和足够传播长度的等离激元电路，已经创建了多种类型的波导。一些最常见的类型包括绝缘体-金属-绝缘体（IMI）^[23]、金属-绝缘体-金属（MIM）^[24]、介质加载表面等离极化激元（DLSPP）^[25][26]、间隙等离极化激元（GPP）^[27]、通道等离极化激元（CPP）^[28]、楔形表面等离极化激元（wedge）^[29]以及混合光等离激元波导与网络。^[6][7]伴随SPP在金属中传播的耗散损耗可以通过增益放大或将其与光子元件（如光纤和耦合谐振器波导）结合到混合网络中来缓解。^[6][7]这种设计可产生前述混合等离激元波导，其亚波长模式尺寸可达到光的衍射极限的十分之一，同时具有可接受的传播长度。^{[30][31][32][33]}

耦合

等离激元电路的输入和输出端口将分别接收和发送光信号。为此，需要将光信号耦合和解耦到表面等离激元。^[34]表面等离激元的色散关系完全位于光色散关系之下，这意味着要实现耦合，输入耦合器应提供额外的动量，以使入射光与在等离激元电路中激发的表面等离极化激元波之间的动量守恒。^[11]有几种解决方案，包括使用电介质棱镜、光栅或金属表面的局域散射元件，通过匹配入射光和表面等离激元的动量来帮助实现耦合。^[35]一旦表面等离激元产生并发送到目的地，即可将其转换为电信号。这可以通过在金属平面上使用光电探测器，或将表面等离激元解耦为自由传播的光，然后将其转换为电信号来实现。^[11]

或者，信号可以外耦合到光纤或波导的传播模式中。

有源器件

过去50年在表面等离激元方面取得的进展推动了各种类型器件（包括有源和无源）的发展。有源器件中最突出的几个领域是光学、热光学和电光学。全光器件作为调制器，已显示出成为信息处理、通信和数据存储可行来源的能力。例如，通过硒化镉量子点将两种不同波长的光束转换为共传播的表面等离激元，展示了它们的相互作用。^[36]电光器件也以调制器的形式结合了光学和电气器件的特性。具体而言，使用倏逝波耦合的共振金属光栅和纳米线设计了电光调制器，这些调制器依赖于长程表面等离激元（LRSP）。^[37]类似地，热光器件包含其折射率随温度变化而变化的电介质材料，也被用作SPP信号的干涉调制器以及定向耦合器开关。一些热光器件已被证明利用沿嵌入聚合物中的金条带的LRSP波导，并通过电信号加热，作为调制和定向耦合器开关的手段。^[38]另一个潜在领域在于spaser在纳米级光刻、探测和显微术中的应用。^[39]

无源器件

尽管有源元件在等离激元电路的使用中发挥着重要作用，但无源电路同样不可或缺，而且出人意料地并非易事。许多无源元件如棱镜、透镜和分束器可以在等离激元电路中实现，然而纳米尺度的制造已被证明很困难并产生不利影响。当使用具有不同折射率的折射元件时，可能会由于解耦而发生显著损耗。然而，已经采取了一些措施来最小化损耗并最大化光子元件的紧凑性。其中一种措施依赖于布拉格反射器，或由一系列平面组成的反射镜，以引导表面等离激元光束。优化后，布拉格反射器可以反射近100%的入射功率。^[11]另一种用于创建紧凑光子元件的方法依赖于CPP波导，因为它们在电信波长内显示出强约束和可接受的小于3dB的损耗。^[40]

在无源器件以及有源器件方面最大化损耗和紧凑性，为等离激元电路的应用创造了更多潜力。

参见

• 纳米光子学
• 超材料
• 人工表面等离激元

参考文献

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