CN102565937A - 表面等离子体极化激元调制 - Google Patents

Abstract

本发明涉及表面等离子体极化激元的调制。本发明提供了一种装置，包括：具有金属表面的基板、结构以及面对金属顶面的介电物质。该结构被配置为光学地产生在金属表面上传播的表面等离子体极化激元。介电物质可控制为，在沿着以及接近该金属表面的不同位置的阵列处，调整介电常数的值。

Description

表面等离子体极化激元调制

分案申请

本申请为发明名称为“表面等离子体极化激元的调制”的原中国发明专利申请的分案申请。原申请的申请号为200880114858.3；原申请的申请日为2008年10月28日，优先权日为2007年11月9日。 

技术领域

本发明涉及基于表面等离子体极化激元的装置以及操作这种装置的方法。 

背景技术

本部分对可以帮助便于更好理解本发明的方面进行介绍。相应地，基于该目的阅读本部分的陈述，并不是理解为对现有技术中有的或现有技术中没有的认可。 

全光路由器执行光路由，而不执行接收到的光信号至电信号的中间转换。直到最近，避免这种转换使得全光路由器比将接收到的光信号转换成中间电信号的传统非全光路由器更快速地执行光路由。典型地，全光路由器比这种非全光路由器更简单，这是由于不存在用于执行这种转换的硬件。确实，较高操作速度以及较低复杂性通常使得这种全光路由器比非全光路由器更优选。 

近来，对各种类型的非全光路由器的关注不断增加。一种类型的非全光路由器使用表面等离子体极化激元来执行光路由。这种类型的非全光路由器具有既能够高速工作制造起来又简单且不昂贵的潜力。具体地，这种非全光路由器的制造在很大程度上基于在微电子和集成光学制造中使用的传统技术。 

表面等离子体极化激元通常也被称作表面等离子体激元。表面等离子体激元是传播表面电荷密度和关联的电磁波的组合。表面等离子体激元可以沿着金属和电介质之间的界面传播，并可以沿着暴露给真空的金属的表面传播。表面等离子体激元可以沿着这种界面和表面传播，而不管该表面是平滑的还是起伏的，以及不管该表面是平坦的还是弯曲的。 

发明内容

各个实施例提供用于调制表面等离子体极化激元(SPP)的射流的装置和方法。一些实施例提供对SPP的射流进行聚焦或散焦。一些实施例可以用于增强与SPP相关联的电磁 场的强度。 

在第一方面中，本发明提出了一种装置，该装置包括：具有金属表面的基板、结构以及面对顶部金属表面的介电物体。该结构被配置为光学地产生在金属表面上传播的SSP。介电物体可控制为，在沿着以及接近该金属表面的不同位置的阵列处，调整介电常数的值。 

在装置的一些实施例中，介电物体包括：面对金属表面的介电层、以及沿着该层放置的磁或电控制器。每个控制器能够改变介电层的相邻部分的介电常数。 

在装置的一些实施例中，该结构包括沿着金属表面的变形的规则阵列。 

在一些实施例中，该装置包括MEMS致动器阵列，并且介电物体包括柔性介电层或介电块的阵列。每个MEMS致动器能够改变层的相应部分或块中的相应的一个块距金属表面的距离。在一些这种实施例中，能够将介电层的每个部分或介电块中的每一个移位至金属表面附近。在一些这种实施例中，该装置包括：具有面对金属表面的表面的第二基板，所述MEMS致动器位于第二基板上。 

在一些实施例中，该装置包括：具有沿着金属表面的变形的规则矩阵的第二结构。上述两个结构是分离的，并且第二结构被配置为光学地检测传播至第二阵列的SPP。 

在第二方面中，本发明提出了一种方法。该方法包括：在金属表面上产生SPP射流，并以改变所产生的射流的波阵面的形状的方式，对所产生的射流的波阵面进行空间调制。该调制包括：相对于每个波阵面的第二部分的传播速度，减小每个波阵面的第一部分的传播速度。 

在一些实施例中，该调制包括：操作多个MEMS致动器，以将介电层的部分或介电块移动靠近或远离顶部金属表面。介电层的每个部分或每个介电块具有沿着表面以及沿着波阵面的宽度，该宽度小于射流的波阵面的宽度的1/10，或者小于射流的SPP的波长。该操作可以包括：使介电层的部分或介电块与顶部金属表面之间存在距离，以具有上凸轮廓或上凹轮廓。 

在该方法的一些实施例中，空间调制包括：对射流横向聚焦或者引起射流发散。 

在一些实施例中，该方法还包括：检测由射流的空间调制后的波阵面的一部分辐射的光。该光从沿着顶部金属表面的变形的规则矩阵辐射。 

附图说明

图1是产生并空间调制表面等离子体极化激元(SPP)的装置的一部分的顶视图； 

图2是图1的装置的一部分的侧视图； 

图3是示出了图1-2的装置的示例控制系统的框图； 

图4是用于SPP射流的空间调制器(例如在图1-2的装置中使用)的第一实施例的一个MEM致动器的侧视图； 

图5是进一步示出图4的空间调制器的一部分的斜视图； 

图6是SPP射流的空间调制器(例如，在图1-2的装置中使用)的第二实施例的一个MEMS致动器的侧视图； 

图7是图6的MEMS致动器的移动部分的顶视图； 

图8是用于SPP射流的空间调制器(例如，在图1-2的装置中使用)的第三实施例的一个MEMS致动器的侧视图； 

图9是图8的MEMS致动器的移动部分的顶视图； 

图10示出了金-真空以及各种金-电介质界面处的SPP的分散关系； 

图11示出了银-真空以及各种银-电介质界面处的SPP的分散关系； 

图12示出了图1-3的空间SPP调制器中将金属顶面与介电层的横向区域或介电块隔离的示例上凹空间曲线； 

图13示出了图1-3的空间SPP调制器中，对于金属顶面与介电层的横向区域或介电块之间的距离的示例上凸空间轮廓；以及 

图14示出了图1-3的空间SPP调制器中，对于金属顶面与介电层的横向区域或介电块之间的距离的示例倾斜空间轮廓；以及 

图15是示意性示出了用于例如利用图1-3的装置以图4-9的MEMS致动器来空间调制表面等离子体极化激元的一个方法的流程图。 

在附图和说明书中，类似的参考数字指代具有实质上类似功能和/或实质上类似结构的特征。 

在一些附图中，可能夸大了特征的相对尺度，以更清楚示意这里所示的结构。 

这里，通过附图和示意实施例的详细描述更完整地描述各种实施例。然而，本发明可以以各种形式体现，并不限于在附图和示意实施例的详细描述中描述的特定实施例。 

具体实施方式

图1和2示出了基于表面等离子体极化激元(SPP)的装置8。SPP沿着基板12的金属顶面10传播。基板12可以包括金属、电介质或半导体，并且该金属顶面可以是平面的。基板12的示例是适合于微电子制造的平面半导体基板，例如，硅片基板。在这样的实施例中，基板12包括：产生金属顶面10的顶部金属层。在各个实施例中，金属顶面10或 金属基板12可以由多种基本金属或合金金属形成，例如，金、银、铜或铝。在一些实施例中，金属顶面10可以被薄透明介电层(未示出)覆盖。 

装置8包括：光SPP耦合器14、空间SPP调制器16、以及一个或多个SPP检测器18。金属顶面10在光SPP耦合器14、空间SPP调制器16以及SPP检测器18之间延伸，使得SPP可以在这些元件之间传播。光SPP耦合器14、SPP调制器16以及一个或多个SPP检测器18沿着金属顶面10的分离的横向部分放置。 

光SPP耦合器14被配置为光学地产生在金属顶面10上传播的SPP射流。光SPP耦合器14包括：光源22、以及基板12的修改横向区域23(如图1中虚线框所示)。光源22光学地产生在修改横向区域23中的SPP，并且可以产生沿着沿着金属层12的顶面在不同方向上传播的SPP。 

这里，“SPP射流”是指一个或多个表面等离子体极化激元的传播相干模式。射流的传播定义了等相波阵面的空间序列，该等相波阵面可以是平面或弧形或更复杂的形状。通常，光学生成产生具有基本上良好定义的传播方向，但是光学生成可能产生波阵面不直的SPP射流。例如，如果产生的光束具有发散或会聚的光波阵面，则光SPP耦合器14可能产生发散或会聚的SPP射流，即，具有弧形波阵面的SPP射流。 

在所示的光SPP耦合器14中，修改横向区域23包括变形20的基本上规则的一维(1D)或二维(2D)阵列。变形20例如可以是金属顶面10中的孔、金属顶面10上的凸起、或者金属顶面10上可选透明介电层中的孔。变形20可以具有基本上相同的形状和大小，并可以在修改区域中规则地间隔开来。 

在所示的光SPP耦合器14中，光源22包括耦合至光纤OF的激光二极管LD。光纤OF的一端被配置为利用来自激光二极管LD的光照射基板12的修改横向区域23。光源22被配置为以产生SPP的方式照射变形20的规则1D或2D阵列，以使例如单个光子在其中产生单个SPP。例如，光纤OF的一端可以取向为，相对于金属顶面10的法向矢量N，以斜角θ将光投射到变形20的规则1D或2D阵列上。 

在美国专利No.7,027,689中描述了用于光SPP耦合器14的适合的变形20的阵列和光源22的示例实施例，其全部内容通过引用合并于此。 

在备选实施例中，光SPP耦合器14可以具有用于光学地产生SPP的不同结构。例如，光SPP耦合器14可以包括其中具有缺陷的等离子体激元波导。光源22在波导的缺陷处光学地产生SPP。光SPP耦合器14在金属顶面10的修改横向区域23中也可以包括其他周期性结构，例如交叉线结。光源22在周期性结构中光学地产生SPP。光SPP耦合 器14也可以包括产生渐消失光的光源22，其中，渐消失光在金属顶面10的修改横向区域中产生SPP。 

在一些其他实施例中，金属顶面10可以由薄金属层形成，其中，变形20沿着金属层的底面变形设置。光源22可以通过照射薄金属层的底面来产生在金属顶面10上传播的SPP。 

SPP调制器16包括介电物体，介电物体的底面面对金属顶面10并邻近该金属顶面10。介电物体可以包括可移动介电块24的1D或2D阵列，或备选地可以包括柔性介电层24(图1中未示出)。在前一种情况下，介电块24间隔很近，使得该阵列形成对金属顶面10的条形部分的基本上完全的覆盖。在后一种情况下，连续柔性介电层24代替介电块24，从而消除了其间的间隙。介电块24或柔性介电层24可以具有底面，该底面的形状可以与金属顶面10的相邻部分的形状相互补充。例如，金属顶面10的相邻部分可以是平坦的，并且这种介电块24的底面可以是平坦的并实质上平行于所述相邻部分。在各个实施例中，介电块24可以具有多种形状，并且介电块24中的不同块可以具有不同形状，例如如图1所示。 

介电块24或柔性介电层24的厚度和长度可以比由光SPP耦合器14产生的SPP的波长大，例如，是SPP波长的两倍或更多倍。 

介电块24或柔性连续介电层24可以具有多种不同材料成分。示例材料成分包括普通电介质，例如二氧化硅(SiO2)和/或氮化硅(Si3N4)。其他示例成分可以包括铁电或可极化化合物半导体。该成分可以是铌酸锂(LiNbO3)、钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅(PbTiO3)、硝酸钾(KNbO3)、钴酸铅(Pb(Co1/2W1/2)O3)、钽铁酸铅(Pb(Fe1/2Ta1/2)O3)、铌镁酸铅(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3)、铌锌酸铅(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3)、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸钾锶、铌酸锶钡(NaSr2Nb5O15)、铌酸锂钾锶(LiNaSr4Nb10O30)、铌酸钡钠(NaBa2Ni5O15)、铌酸钡锶、铌酸钾锂(K3Li2Nb5O15)、钛酸铋(Bi4Ti3O12)、或磷酸二氢钾(KH2Po4)。该成分还可以是具有化学式AlxGa(1-x)N、ZnO、MgxZn(1-x)O、CdxZn(1-x)O，0≤x≤1，的晶体组III-V或组II-VI半导体。 

在具有介电块24的阵列的实施例中，各个单独介电块24的位置是MEMS控制的。具体地，通过相应MEMS致动器，可以将每个介电块24远离金属顶面10和朝着向金属顶面10独立地移动。例如，可以放置介电块24，使得它们的底面接触金属顶面10，并且使得与由SPP源14产生的SPP的波长相比，它们的底面远离金属顶面10。如下所述，各个单独介电块24的位置确定了针对SPP的有效介电常数的局部值。 

在具有柔性介电层24的实施例中，介电层24的形状是MEMS控制的。具体地，可以通过以1D或2D阵列散布在柔性介电层24的背面上的各个单独MEMS，使柔性介电层24的形状变形。每个MEMS致动器可以将柔性介电层24的相应区域远离金属顶面10和/或朝着金属顶面10移动。例如，可以放置介电层24的区域，使得与由SPP源14产生的SPP的波长相比，它们的底面远离金属顶面10。如下所述，柔性介电层24的不同区域的位置确定了针对SPP的有效介电常数的值。 

一个或多个SPP检测器18被配置为光学地检测在金属顶面10上传播的SPP。每个SPP检测器18包括常规光检测器26和基板12的修改横向区域。 

在所示的SPP检测器18中，修改横向区域25包括在金属顶面10上的变形20的实质上规则的1D或2D阵列(如图1中虚线框所示)。变形20可以例如是金属顶面10中的孔或凸起、或者金属顶面10上可选透明介电层中的孔。变形20可以具有大约相同的大小和形状，并可以在金属顶面10的修改横向区域25中均匀分布。 

在所示的SPP检测器18中，每个光检测器26包括：光纤OF、以及电子光检测器ELO。光纤OF的一端被配置为接收辐射自基板12的修改横向区域25的光。电子光检测器ELD例如经由二极管检测器感测由光纤OF的另一端发射的光。 

在美国专利No.7,027,689中描述了适合SPP检测器18的示例实施例，其全部内容通过引用合并于此。 

在备选实施例中，SPP检测器18可以包括不同类型的光检测器26。例如，修改横向区域可以包括金属顶面10的其他类型的周期性变形。同样，SPP检测器18可以是位于金属顶面10上或附近的光敏二极管或晶体管。 

图3示出了用于图1-2的装置8的控制系统6。控制系统6包括：数字数据处理器2，例如，计算机；数字数据存储设备3，例如数字数据存储器；以及电控制线4。数字数据处理器2经由通过控制线4传送的电控制信号控制SPP调制器16。控制信号控制SPP调制器16的元件的空间阵列，元件的空间阵列确定了沿着和靠近顶金属面10的位置处的有效介电常数。在一些实施例中，数字数据处理器2控制如图1-2所示在金属顶面10之上的介电块24的垂直位置或柔性介电层24的分离的空间区域。在其他实施例中，数字数据处理器2控制位于顶面10上的介电层中的横向空间极化轮廓，其中局部极化固定了金属顶面10附近的介电常数。数字数据存储器3可以存储用于操作数字数据处理器2以控制SPP调制器16的可执行程序，和/或可以包括数据，该数据使得数字数据处理器2能够操作SPP调制器，以产生在金属顶面10之上和接近该金属顶面10的有效介电常数 的不同空间轮廓的集合。 

再次参照图1和2，许多类型的致动器可以用于提供介电块24的垂直运动、或者备选地柔性介电层24的分离区域的垂直运动。例如，各种传统类型的微机械致动器可以与介电块或柔性介电层24的区域制造在一起，或附着至介电块24，或者沿着柔性介电层24分布，以响应于外部控制信号(例如，电或光信号)提供其垂直位移。示例致动器可以使用静电、磁、压电、热膨胀、或者用于给介电块24、或备选地柔性介电层24的分离区域提供位移的方法。 

各种传统微机械和微制造工艺可以用于制造这种致动器。传统工艺可以包括层材料沉积、表面和体微机械、接合、电镀、层图案化、层和/或深度蚀刻、和/或与牺牲层的使用有关的技术。 

微制造静电致动器尤其适合于制造受微致动器控制的介电块24的密集阵列，这是由于针对微制造的良好传导和弹性材料的可用性。这些材料包括例如，掺杂单晶硅、多晶硅、兼容传统电介质、以及各种金属。这些材料还可以产生小致动器，在小致动器中功率耗散低。 

图4和5示出了用于图1和2的介电块24或备选地用于图2的柔性介电层24的区域的这种静电机械致动器的一个实施例。在该实施例中，由相应的微机电系统(MEMS)致动器28A以机械方式使每个介电块24或柔性介电层24的区域发生位移。MEMS致动器28A刚性地附着至第二基板30的表面，该表面面对第一基板12的金属顶面10。 

在这样的实施例中，装置8是多晶片基板结构。第一晶片基板12包括光SPP耦合器14的修改区域、和SPP检测器18以及金属顶面10。第二晶片基板30包括MEMS致动器28A、以及介电块24或柔性介电片24。第一和第二基板30、12对准并接合在一起以形成垂直堆叠。在垂直堆叠中，间隔区域(未示出)保持以固定分离距离面对基板30、12的表面。可以通过本领域技术人员已知的传统微电子制造技术来制造这种多晶片基板结构。 

每个MEMS致动器28A包括复原弹簧32，以及具有固定电极34和可移动电极36的控制电容器。可移动电极36经由金属、电介质或半导体接线柱P刚性地附着至相应的介电块24或备选地柔性介电层24的相应区域，接线柱P与复原弹簧32集成在一起。复原弹簧32的端部经由接线柱P刚性地固定至第二基板30，并可以在其他介电块24与相应可移动电极36之间通过。因此，各个单独MEMS致动器28A以及例如介电块24可以密集地覆盖连续的条状区域或更宽区域。即，可以分布MEMS致动器28A，以形成紧密 的1D阵列或紧密的2D阵列。 

通过在电极34、36上应用控制电压，可以相对于相同控制电容器的固定电极34，使每个可移动电极36发生位移。得到的可移动电极36的运动可以改变相应介电块24或备选地柔性介电层24的相应区域的底面与第一基板12的附近金属顶面10之间的距离d。即，MEMS控制电压可以用于相对于相邻金属顶面10，独立地定位空间SPP调制器16中的介电块24或柔性介电层24的区域。 

图6-7和8-9示意性示出了静电MEMS致动器28B、28C的两个其他几何结构，静电MEMS致动器28B、28C适合于控制如图1-2中所示的各个单独介电块24或备选地介电层的各个单独区域的位置。MEMS致动器28B、28C响应于在它们的控制电容器上施加电压，朝着金属表面10移动相关联的介电块24或柔性介电层24的区域。相反，图4-5的MEMS致动器28A响应于在其控制电容器上施加电压(例如，在电极34、36上施加电压)，远离金属表面10移动相关联的介电块24或柔性介电层24的区域。 

参照图6-7，MEMS致动器28B包括固定电极34、可移动电极36、柔性弹臂42、支撑接线柱44、杠杆臂46、附着板48、以及刚性地直接连接至相应介电块24或柔性介电层24的区域的附着接线柱50。在MEMS致动器28B中，电极34、36上的控制电压引起柔性弹臂42的相邻端朝着基板30弯曲。该运动引起杠杆臂46的末端沿着相反方向移动，从而将介电块24或柔性介电层24的区域移动靠近金属顶面10。 

例如如图8-9的MEMS致动器28C所示，可以通过添加补偿弹簧来消除在这种运动期间的介电块24或备选地柔性介电层2的区域的较小倾斜，该补偿弹簧附着在附着板48与基板30上的第二接线柱之间。 

参照图8-9，MEMS致动器28C包括固定电极34、可移动电极36、柔性弹臂42A-42B、支撑柱44A-44B、附着板48、以及连接至相应介电块24或备选地介电层24的相应区域的附着接线柱50。在MEMS致动器28C中，电极34、36上的控制电压引起柔性弹臂42A、42B的相邻端朝着基板30弯曲。该运动引起弹臂42B的中心部分沿着相反方向移动，使得介电块24或介电层24的区域移动靠近金属顶面10。 

参照图4-9，可以将各种MEMS致动器28A-28C制造为足够窄，使得可以构造这种致动器的密集线性阵列。 

例如在美国专利No.7,068,409、由Carl J.Nuzman等人于2006年3月31日提交的美国专利申请No.11/394950、以及由Vladimir Aksyuk等人于2006年8月31日提交的美国专利申请No.11/514584中描述了适合于MEMS致动器28的示例MEMS致动器和用于制 造这种致动器的方法，以上美国专利和专利申请的全部内容通过引用合并于此。 

不使用介电层的区域或阵列的介电块的位移，而是备选地，图1的SPP调制器16可以基于可控制介电层，该可控制介电层的介电常数响应于电或磁场的施加。例如，可控制层可以是铌酸锂或其他可极化的材料。例如，可控制介电层24位于金属顶面10的区域上。可控制介电层的不同区域中的介电常数的极化和相关值取决于在所述区域中产生的基于电压或基于磁的控制结构(例如电极)附近的电或磁场的值。 

在图1-3和图4-9的实施例中，介电块24或备选地柔性介电层24的各个区域的垂直放置确定了空间SPP调制器16中SPP的速度(例如，相速)。具体地，SPP典型地具有波矢量k，通过以下分散关系，该波矢量的幅度k与SPP的频率ω有关： 

k＝(ω/c)·([εm(ω)·εd(ω)]/[εm(ω)+εd(ω)])1/2 

因此，波矢量k的幅度k取决于介电区域的有效介电常数εd(ω)和沿着SPP的路径的金属的介电常数εm(ω)。在每个横向区域中，金属顶面10之上和附近的有效介电常数εd(ω)的值影响波矢量幅度k，从而影响该区域中SPP的相速。 

类似地，在SPP调制器16包括金属顶面10上的可极化介电层的实施例中，SPP的波矢量的幅度k取决于金属顶面之上和附近的层的区域中的介电常数的值εd(ω)，其中SPP沿着该金属顶面传播。 

图10和11示出了SPP的分散关系随着SPP传播界面处的电介质和金属的有效介电常数(即εd(ω)和εm(ω))的值而改变。 

图10示出了金表面处各种类型SPP的分散关系。具体地，该图示出了在金/真空界面(十字灰线)、金/二氧化硅界面(黑线)、以及金/氮化硅界面(灰线)处的SSP的分散关系。出于比较的目的，示出了光的分散关系，即，虚线。根据“传播等离子体激元”区域中的不同SPP分散线，清楚可见，相同频率(即，ω)的传播SPP可以具有不同幅度kC的波矢量。 

图11示出了在银表面处的各种类型的SPP的分散关系。具体地，该图示出了在银/真空界面(十字灰线)、银/二氧化硅界面(黑线)、以及银/氮化硅界面(灰线)处的SSP的分散关系。出于比较的目的，示出了光的分散关系，即，虚线。根据“传播等离子体激元”区域中的不同SPP分散线，清楚可见，相同频率(即，ω)的传播SPP可以具有不同幅度kC的波矢量。 

图10和11提供了以下指示：金属-电介质界面的介电侧上的有效介电常数的值会影响沿着该金属-电介质界面的SPP的相速。 

在图1-3中，空间SPP调制器16通过在金属顶面10之上以及接近该金属顶面10的区域中的有效介电常数εd(ω)的局部值，对SPP的局部速度进行调制。例如，空间SPP调制器16使用图4-9的MEMS致动器28A-28C移动一个或多个介电块24或介电层24的区域靠近和/或远离金属顶面10，以局部改变有效介电常数εd(ω)(即，SPP附近的有效介电常数)的值。例如，移动介电块24或备选地柔性介电层24的区域靠近(远离)金属顶面10会典型地增加(减小)有效介电常数εd(ω)的值。由于SPP速度对有效介电常数εd(ω)的相关性，SPP射流具有取决于附近介电块24的位置或备选地介电层24的附近区域的位置的局部速度。 

如图2和4-9所示，通过各个单独介电块24或备选地柔性介电层24的各个单独区域与金属顶面10的距离d，空间SPP调制器16控制SPP的局部速度。因此，空间SPP调制器以及最终图2的控制系统6可以控制SPP射流中的波阵面的形状。例如，介电块24或柔性介电层24的区域的1D阵列可以被配置为以类似于会聚透镜、发散透镜、或反射镜或棱镜如何修改光束的波阵面的方式，来修改SPP射流的波阵面。在针对会聚SPP透镜的配置中，控制系统6设置空间SPP调制器16，使得金属顶面10与介电块24或备选地柔性介电层24的分离区域的底面之间的距离d定性地具有图12和13中所示的距离轮廓中的一个。在针对发散SPP透镜的配置中，控制系统6设置空间SPP调制器16，使得金属顶面10与介电块24或备选地柔性介电层24的分离区域的底面之间的距离d定性地具有在图12和13中所示的距离轮廓中的另一个。即，上凸距离轮廓和上凹距离轮廓中的一个产生会聚SPP透镜，这两个距离轮廓中的另一个产生发散SPP透镜。可以从上述SPP分散关系中，找到SPP聚焦类型和距离d的轮廓类型(例如，上凸或上凹)之间的特定对应关系。在针对SPP反射镜或棱镜的配置中，控制系统6设置SPP调制器16，使得金属顶面10与介电块24或备选地柔性介电层24的分离区域的底面之间的距离d定性地具有如图14所示的距离轮廓。即，斜线轮廓(即，向右下倾斜或向左下倾斜)能够用来使SPP的入射射流沿着金属面10相对于入射传播方向而向左或向右转。转向角的值取决于定义了轮廓的斜线的取向，并能够根据SPP分散关系来确定。 

例如，SPP调制器16的其他配置可以将斜线轮廓与上凸轮廓和上凹轮廓中的一个或多个进行组合，以同时重定向和重聚集SPP的入射射流。 

此外，在一些实施例中，在从一种配置到另一种配置中，空间SPP调制器16的控制系统6能够移动介电块24或备选地介电层24的区域。例如，控制系统6能够通过将距离轮廓调整为图12的或图13的那样，使得空间SPP调制器16作为会聚SPP透镜或发 散SPP透镜而起作用。因此，假设SPP调制器16中的介电块24或介电层24的区域的横向尺寸相比于沿着金属顶面10的SPP入射射流的宽度而言较小，SPP调制器16的这种实施例可以被操作为，在聚焦或散焦SPP入射射流之间切换。在这样的实施例中，典型地，介电块24具有相比于沿着金属顶面10、由光SPP耦合器14产生的SPP射流的宽度而言较小的横向尺寸，例如，具有小于射流中SPP的波长的宽度。确实，介电块24的该横向尺寸可以是5微米或更小、2微米或更小、1微米或更小、或者甚至0.5微米或更小。 

在一些实施例中，控制系统6还可以产生在金属顶面10之上或附近的有效介电常数的其他空间轮廓。控制系统6甚至可以通过操作SPP调制器16的相邻元件的分离组(例如，相邻介电块24的分离组)作为局部操作单元(LOU)，来近似地对SPP射流的波阵面的幅度和相位进行空间调制。由一个LOU的元件处理的波阵面的横向部分发生干涉，以产生波阵面的该部分的局部幅度和相位调制。这样的LOU能够以类似于以下方式进行操作：在由Girsh Blumberg于2006年6月6日提交的美国专利申请No.11/448,390中描述的可重新配置的反射镜阵列中操作反射镜的LOU的方式。该美国专利申请的全部内容通过引用合并于此。 

图15示出了使用SPP射流的方法60，例如，利用图3的控制系统6操作图1和2的装置8。 

方法60包括沿着金属顶面产生SSP射流(步骤62)。例如，如图1-2所示，可以通过金属顶面10上的光SPP耦合器14以光学方式产生该SPP射流。 

方法60包括：以改变波阵面的形状的方式对产生的SPP射流的波阵面进行空间调制(步骤64)。空间调制步骤62包括相对于SPP射流的每个波阵面的其它部分的相位或传播速度，相对降低该相同波阵面的某些部分的相位或传播速度。例如，可以通过以与金属顶面10的不同距离来定位图1-3的空间SPP调制器16的介电块24中的不同介电块或备选地柔性介电层24的不同区域的底面，来产生这种相对速度差异。 

在一些实施例中，步骤64包括：定位介电块24或备选地柔性介电层24的不同区域，以产生具有例如图12的上凸形式、图13所示的上凹形式的距离d的空间轮廓，或其他形状的轮廓。产生的轮廓的形式可以聚焦SPP射流或散焦SPP射流。确实，一些实施例可以产生这种聚焦以增加与SPP射流相关联的电磁场的强度。 

在其他实施例中，步骤64包括：定位介电块24或柔性介电层24的区域，以引起在表面处SPP射流的有效反射。 

方法60包括：检测在步骤64产生的SPP射流的空间调制后的波阵面的一个或多个部分(步骤66)。检测步骤可以包括：在图1-2的SPP检测器18中检测从空间调制后的波阵面的所述一个或多个部分辐射的光。该光可以从金属顶面10的修改横向区域25辐射，其中，修改横向区域包括例如如图1-2所示的变形20的规则阵列。 

在一些实施例中，方法60包括：例如针对各个单独介电块24或备选地柔性介电层24的各个单独区域与金属顶面10的距离d的不同空间轮廓，重复步骤64和66。在这样的实施例中，介电块24或柔性介电层24的区域可以由MEMS致动器定位，例如由图4-9的MEMS致动器28A-28C定位。 

本发明意在包括根据说明书、附图以及权利要求对于本领域技术人员而言显而易见的其他实施例。 

Claims (8)

1.一种用于调制表面等离子体激元的装置，包括：

具有金属表面的基板；

用于光学地产生在金属表面上沿不同方向传播的表面等离子体极化激元的结构；

介电物体，所述介电物体具有面对金属表面的表面，所述介电物体能够被控制为，在沿着和接近金属表面的不同位置的阵列处，单独地调整介电常数的值，以横向地沿着表面等离子体极化激元的波阵面，改变介电常数的空间轮廓；

其中，所述结构包括沿着金属表面的变形的规则列阵。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，介电物体包括：面对金属表面的介电层、以及沿着所述介电层放置的磁或电控制器，每个控制器能够改变介电层的相邻部分的介电常数，以改变空间轮廓。

3.根据权利要求1所述的装置，

还包括：MEMS致动器阵列；以及

其中，介电物体包括柔性介电层或介电块阵列，每个MEMS致动器能够改变所述柔性介电层的相应部分或所述介电块中相应的一个介电块距所述金属表面的距离。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，介电物体能够被操作为，在沿着由所述结构产生的表面等离子体极化激元的射流的波阵面的多个位置处，调整有效介电常数的值。

5.根据权利要求1所述的装置，

还包括：MEMS致动器阵列；以及

其中，介电物体包括介电块阵列，每个MEMS能够改变所述介电块中相应的一个介电块距所述金属表面的距离。

6.一种用于调制表面等离子体激元的方法，包括：

在金属表面上产生表面等离子体极化激元的射流；

以改变所产生的射流的波阵面的形状的方式，对所产生的射流的波阵面进行空间调制；以及

其中，所述调制包括：相对于每个波阵面的第二部分的传播速度，减小每个波阵面的第一部分的传播速度；

所述调制包括：操作多个MEMS致动器，以将介电层的部分或者介电块移动靠近或远离金属表面。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述操作包括：移动所述介电层的部分或者所述介电块，所述介电层的每个部分或者每个介电块具有沿着所述表面和所述波阵面的宽度，该宽度小于射流的表面等离子体极化激元的波长。

8.根据权利要求6或7所述的方法，还包括：

检测由射流的空间调制后的波阵面的一部分辐射的光，所述光是从沿着金属表面的变形的规则阵列辐射的。

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