磁控可切換的等離子體路由器和調製器

等離子體波導開啟了開發微型光學器件的可能性，並為用於信息處理，光學計算等的下一代集成納米光子電路提供了一條有希望的途徑。 納米光子電路的關鍵要素是可切換的等離子體路由器和等離子體調製器。

最近，Joachim Herrmann博士（MBI）和他的外部合作者為實現這種納米器件開發了新的概念。 他們研究了表面等離子體激元（SPP）在磁等離子體波導中的傳輸（Scientific Reports，「Switchable plasmonic routers controlled by external magnetic fields by using magneto-plasmonic waveguides」）。

圖1：可切換的等離子體路由器的結構，該路由器由T形金屬波導組成，該波導由鐵磁介電材料包圍並且處在外部磁場的作用下。（圖片來源：MBI）

基於該研究的結果，他們提出了用於各種納米光子功能的可切換磁 - 等離子體路由器和磁 - 等離子體盤調製器的新變體。

在基於金屬膜的波導中，其厚度超過趨膚深度並被鐵磁電介質包圍，橫向上的外部磁場可以引起表面等離子體激元（SPP）的模式分布的顯著的空間不對稱性。

奇偶不對稱模式在一定距離上的疊加導致一個界面上的能量集中，該界面通過磁場反轉而切換到另一個界面。隨著金屬膜厚度的增加，所要求的磁化強度呈指數減小。

基於這一現象，該小組提出了一種新型的波導集成磁控可切換等離子體路由器。

圖1顯示了這種納米器件的結構，其由一個T形金屬波導組成，在外部磁場下，該波導被鐵磁電介質包圍，並引起磁化M.

圖2：等離子體強度分布的數值結果展示了通道開關。外部磁場方向的反轉導致SPP從（a）中的通道1傳播到（b）中的通道2。金屬波導由金和周圍的來自雙取代鐵石榴石（BIG）的鐵磁電介質製成。（圖片來源：MBI）

在圖2中，通過求解麥克斯韋方程，得到等離子體傳輸的數值結果，結果表明，通過磁場反轉實現了通道切換，並且在幾十THz的光學帶寬內具有99％的高對比度。

這裡g是旋轉g = XM，X是磁光磁化率，g0是要求引起顯著模式不對稱的特徵旋轉。通過集成電子電路，可以在GHz區域中以重複率實現的磁場修正。值得注意的是，到目前為止，僅存在少量論文報道了基於由輸入光的偏振控制的分支銀納米線的可切換等離子體路由器的實現。

在第二篇論文（Physical Review B，「Ultracompact high-contrast magneto-optical disk resonator side-coupled to a plasmonic waveguide and switchable by an external magnetic field」），該小組提出並研究了一種新型的超小型等離子體調製器，該調製器基於金屬隔離器 - 金屬波導和由外部磁場控制的側耦合磁光碟（見圖3）。

圖3：磁共振盤諧振器的側面耦合到由外部磁場控制的金屬 - 絕緣體 - 金屬波導的方案。（圖片來源：MBI）

通過改變磁場，可以調整波數變化和表面等離子體激元（SPP）的傳輸，並且通過外部磁場的方向的反轉，可以對運行的SPP模式進行可逆的開/關切換。

磁等離子體調製的共振增強超過200倍，導致調製對比度大於90％，在數百GHz的光學帶寬內保持適度的插入損耗。 通過麥克斯韋方程解的數值模擬，證實了高對比度磁等離子體調製的推導分析公式的預測。

圖4分別顯示了在g = 0.03和g = -0.03時，SPP的磁場分量的分布情況。

圖4：在波長為748nm時，金屬波導中的SPP的磁場分布側面耦合到圓盤諧振器中。通過改變磁場的方向，SPPs的傳輸從g = -0.03的關閉狀態（圖4a）切換到g = 0.03的開啟狀態（圖4b）。金屬波導由銀和雙取代鐵石榴石（BIG）鐵磁電介質組成。（圖片來源：MBI）

正如通過改變外部磁場的方向所看到的，波導中的干涉圖樣改變，能將SPPs的傳輸從關閉狀態切換到開啟狀態。

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