DE60304988T2

DE60304988T2 - Optische Verzweiger basierend auf Oberflächen-Plasmonen

Info

Publication number: DE60304988T2
Application number: DE60304988T
Authority: DE
Inventors: Girsh Blumberg; Brian S. Dennis; Dmitro M. Egorov
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2003-01-24
Filing date: 2003-08-14
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2023-08-15
Also published as: US20040146246A1; EP1445632B1; US20050249461A1; US7039315B2; EP1445632A1; JP4790209B2; KR100952064B1; US7039277B2; JP2004226963A; US20050265652A1; ATE325359T1; DE60304988D1; KR20040067790A; US7027689B2

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Erfindungsgebiet
Die Erfindung betrifft wellenlängenselektive optische Router.
Erörterung des verwandten Stands der Technik
Volloptische Router konvertieren vor dem Übertragen eines optischen Ausgangssignals ein optisches Eingangssignal nicht in elektrische Zwischensignale um. Durch das Vermeiden von Konvertierungen zwischen Licht- und elektrischen Signalen können volloptische Router in der Regel schneller arbeiten als nicht-volloptischen Router. Volloptische Router sind wegen des Fehlens von Konvertierungen zwischen optischen und elektrischen Signalen auch in der Regel einfachere Einrichtungen als nicht-volloptische Router. Höhere Geschwindigkeit und geringere Komplexität hat dazu geführt, daß herkömmliche volloptische Router gegenüber nicht-volloptischen Routern stark bevorzugt werden.
Obwohl volloptische Router wünschenswerte Arbeitsgeschwindigkeiten aufweisen, ist die Herstellung derartiger Einrichtungen oftmals komplex und aufwendig. Beispielsweise verwenden viele volloptische Router Wellenleiterarrays. Das Herstellen geeigneter Wellenleiterarrays erfordert üblicherweise hochpräzise Verfahren und aufwendige Masken. Aus diesem Grund sind volloptische Router oftmals teuer. Es ist wünschenswert, optische Router zu haben, die mit hohen Geschwindigkeiten routen, aber keine teuren und komplexen Herstellungsprozesse erfordern.
Das am 31. Januar 2002 veröffentlichte PCT-Patentdokument WO 02/08810 beschreibt Verfahren und Einrichtungen zum Steuern der Ausbreitung von Oberflächenplasmon-Polaritonen unter Verwendung von Oberflächenplasmon-Polariton-Bandlückengebieten.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß der Erfindung sind wie in den unabhängigen Ansprüchen dargelegt. Bevorzugte Formen sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Die verschiedenen Ausführungsformen stellen optische Router bereit, die optisch-elektrische und elektrisch-optische Signalkonvertierungen durchführen. Die optisch-elektrische Konvertierung erzeugt ein Oberflächenplasmon, das sich zwischen Eingangs- und Ausgangsport ausbreitet. Die Ausbreitungsrichtung des Oberflächenplasmons hängt von der Frequenz des optischen Eingangssignals ab. Die Richtungsabhängigkeit der Ausbreitung des Oberflächenplasmons liefert eine wellenlängenabhängige Lenkung von empfangenen optischen Signalen. Da die Erzeugung, die Vernichtung und die Ausbreitung von Oberflächenplasmonen schnelle Prozesse sind, arbeiten diese nicht-volloptischen Router bei hohen Geschwindigkeiten.
Bei einem ersten Aspekt weist die Erfindung eine Vorrichtung zum Ausführen einer optischen Lenkung auf. Die Vorrichtung enthält eine Metallschicht mit einer ersten und zweiten Seite, ein regelmäßiges Array von Strukturen, entlang der ersten Seite positioniert. Der beleuchtete Abschnitt der ersten Seite befindet sich neben einzelnen der Strukturen. Die Vorrichtung enthält außerdem mehrere optische Ausgangswellenleiter, die so positioniert sind, daß sie Licht empfangen, das von Abschnitten der Metallschicht abgestrahlt wird, die nicht von dem optischen Eingangswellenleiter beleuchtet werden. Der Eingangswellenleiter weist eine relative Orientierung bezüglich des Arrays derart auf, daß eine erste Wellenlänge von Licht von dem optischen Eingangswellenleiter Oberflächenplasmonen erzeugt, die aus einem beleuchteten Abschnitt des Arrays entlang einer Richtung austreten, und eine zweite Wellenlänge des Lichts von dem optischen Eingangswellenleiter Oberflächenplasmonen erzeugt, die aus dem beleuchteten Abschnitt des Arrays entlang einer anderen Richtung austreten. Der erste und zweite Ausgangswellenleiter sind dabei so positioniert, daß sie Licht empfangen, das von den Oberflächenplasmonen abgestrahlt wird, die entlang der verschiedenen Richtungen austreten.
Bei einem zweiten Aspekt weist die Erfindung ein Verfahren zum Routen von optischen Signalen auf. Das Verfahren beinhaltet das Erzeugen von Oberflächenplasmonen auf einer Metalloberfläche als Reaktion darauf, daß ein Abschnitt eines Arrays von Strukturen auf der Oberfläche von einem optischen Eingangswellenleiter ein optisches Signal empfängt. Das Verfahren beinhaltet das selektive Erzeugen eines optischen Signals in einem ersten optischen Ausgangswellenleiter von den erzeugten Oberflächenplasmonen als Reaktion auf das empfangene optische Signal mit einer ersten Wellenlänge. Das Verfahren beinhaltet außerdem das selektive Erzeugen eines optischen Signals in einem zweiten optischen Ausgangswellenleiter von den erzeugten Oberflächenplasmonen als Reaktion auf das empfangene optische Signal mit einer zweiten Wellenlänge. Das Array weist eine relative Orientierung zu dem optischen Eingangswellenleiter derart auf, daß das empfangene optische Signal Oberflächenplasmonen erzeugt, die aus dem Abschnitt entlang einer Richtung als Reaktion auf das Signal mit der ersten Wellenlänge auftreten und die aus dem Abschnitt entlang einer anderen Richtung als Reaktion auf das Signal mit der zweiten Wellenlänge austreten. Die Ausgangswellenleiter empfangen Licht von den Oberflächenplasmonen, die aus dem Abschnitt des Arrays entlang den unterschiedlichen Richtungen austreten.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine Querschnittsansicht, die die Kinematik der Erzeugung eines Oberflächenplasmons durch ein Photon an einer planaren Metall-Dielektrikum-Grenzfläche darstellt;
2 veranschaulicht Dispersionsbeziehungen für Oberflächenplasmonen und Photonen an der Grenzfläche von 1;
3 ist eine Draufsicht auf eine Grenzfläche ohne Translationsinvarianz entlang sich selbst;
4 veranschaulicht, wie Dispersionsbeziehungen die Erzeugung eines einzelnen Oberflächenplasmons in der Einfallsebene eines Photons ermöglichen;
5 veranschaulicht, wie einfallende Photonen Oberflächenplasmonen mit mehr als einem Moment erzeugen, wenn das projizierte Photonenmoment senkrecht zu einem umgekehrten Gittervektor steht;
6 zeigt elektrische Feldintensitäten, die auf einer Rückseite einer Metallschicht von 3 als Reaktion auf die Beleuchtung einer Vorderseite der Metallschicht induziert werden;
7A–7E sind grauschattierte Kurven von elektrischen Feldintensitäten entlang der Rückseite der Metallschicht von 3 für auf die Vorderseite der Metallschicht einfallende verschiedene Lichtkonfigurationen;
8 und 9 sind jeweilige Querschnitts- und Rückseitenansichten eines optischen Routers, der ein frequenzselektives optisches Routen durchführt;
10 veranschaulicht ein Verfahren für das optische Routen von Licht mit dem optischen Router der 8 und 9 und
11 und 12 zeigen einen einfachen optischen Router, der eine Endfläche eines Faserbündels verwendet, um ein frequenzselektives optisches Routen durchzuführen.
In den verschiedenen Figuren beziehen sich gleiche Referenzzahlen auf funktional ähnliche Elemente.
BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Verschiedene Ausführungsformen stellen nicht-volloptische Router bereit. Die neuen optischen Router führen optisch-elektrische und elektrisch-optische Zwischenkonvertierungen aus, bei denen Oberflächenplasmonen an einer Metalloberfläche erzeugt und vernichtet werden. Die Oberflächenplasmonen werden von an einem optischen Eingangsport empfangenen Photonen erzeugt. Die Vernichtung der Oberflächenplasmonen erzeugt Photonen an optischen Ausgangsports. Diese optisch-elektrischen und elektrisch-optischen Signalkonvertierungen sind Ereignisse mit einzelnen Teilchen, die durch die Teilchenkinematik auf eine planare Grenzfläche begrenzt sind.
1 veranschaulicht eine Kinematik zur Erzeugung eines Oberflächenplasmons an einer planaren Grenzfläche 4 zwischen einer Metallschicht 6 und einem dielektrischen Substrat 8. Ein Einheitsvektor i ^ steht senkrecht zur Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4, und ein Einheitsvektor u ^ ist parallel zu der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4. Ein Photon mit einem Moment K und einer Frequenz ω fällt auf die Vorderseite der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4 auf. Das einfallende Photon bildet einen Winkel θ mit dem Einheitsvektor i ^ senkrecht zu der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4. Wenn ein einfallendes Photon ein einzelnes Oberflächenplasmon erzeugt, weist das Oberflächenplasmon die gleiche Frequenz ω und ein Moment K_sp auf. Das Oberflächenplasmon breitet sich entlang einer durch den Einheitsvektor u ^ definierten Richtung aus. Das Moment K_sp des Oberflächenplasmons kann vollständig oder. teilweise in oder senkrecht zu der Einfallsebene des Photons sein, wie unten beschrieben.
Die Energie und Momente von Photonen und Oberflächenplasmonen genügen Dispersionsbeziehungen. Die Dispersionsbeziehung für ein einzelnes Oberflächenplasmon lautet: Ksp(ω) = (ω/c)([εm(ω)εd]/[εm(ω) + εd])1/2u ^
Hier sind ε_m(ω) und ε_d Dielektrizitätskonstanten des Metalls und des Dielektrikums auf den beiden Seiten der Grenzfläche 4, und c ist die Lichtgeschwindigkeit. Die Dispersionsbeziehung für die Projektion K_x(ω) des Moments K des Photons auf die Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4 lautet: |Kx(ω)| = (ω/c)(εd)1/2sin(θ)
Die Größe der Projektion |K_x| hängt von dem Einfallswinkel des Photons ab.
2 zeigt Dispersionskurven, die für die Erzeugung eines einzelnen Oberflächenplasmons und durch ein einzelnes Photon an einer Metall-Dielektrikum-Grenzfläche relevant ist, die entlang sich selbst translationsinvariant ist. An einer derartigen Grenzfläche werden sowohl die Energie als auch die Projektion des Moments entlang der Grenzfläche erhalten. Die Erhaltung von Energie erfordert, daß das vernichtete Photon und das erzeugte Oberflächenplasmon die gleiche Frequenz ω aufweisen. Die Erhaltung der Projektion des Moments entlang der Grenzfläche erfordert, daß K_x und K_sp parallel zum gleichen Einheitsvektor u ^ sind, und erfordert weiterhin, daß Kx(ω) = Ksp(ω).
Die Momente von sich parallel und antiparallel zu dem projizierten Photonenmoment K_x(ω) ausbreitenden Oberflächenplasmonen sind gegeben durch Verzweigungen K_sp+(ω) und K_sp–(ω). Die Bedingung K_x(ω) = K_sp(ω) kann nur erfüllt werden, wenn eine der begrenzenden Dispersionskurven K_x+–(ω) des Photons, das heißt K_x+–(ω) = ± (ω/c)(ε_d)^1/2, die Dispersionskurve des Oberflächenplasmons kreuzt. Da keine der begrenzenden Formen K_x+–(ω) K_sp+(ω) oder K_sp–(ω) kreuzt, existieren keine Kreuzungspunkte zwischen den Photonen- und Oberflächenplasmonendispersionskurven. Aus diesem Grund kann ein einzelnes Photon nicht in ein einzelnes Oberflächenplasmon an einer Metall-Dielektrikum-Grenzfläche konvertiert werden, die entlang sich selbst translationsinvariant ist.
Die Erfinder haben erkannt, daß ein einzelnes Photon jedoch an einer Grenzfläche, die entlang sich selbst nicht translationsinvariant ist, in ein einzelnes Oberflächenplasmon konvertiert werden kann. An solchen Grenzflächen brauchen sich Dispersionskurven für eine resonante Erzeugung von Oberflächenplasmonen nicht zu kreuzen.
3 zeigt eine Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4' ohne Translationsinvarianz entlang sich selbst. Die Translationsinvarianz wird von einem finiten regelmäßigen Array 12 aus Verformungen 14 in der Grenzfläche 4' unterbrochen. Zu beispielhaften Verformungen 14 zählen Vertiefungen und Löcher in dem Material auf beiden Seiten der Grenzfläche 4'. Die Verformungen 14 definieren ein regelmäßiges Gitter von Stellen an Gitterpositionen P. Die Gitterpositionen P sind definiert durch P = mb₁ + nb₂, wobei b₁ und b₂ Fundamentalgittervektoren und n und m ganze Zahlen sind. Mit dem regelmäßigen Gitter 12 von Verformungen 14 ist ein reziprokes Gitter mit Fundamentalvektoren G₁ und G₂ assoziiert. Die reziproken Gittervektoren sind definiert durch die Beziehungen: Gi·bj = 2πδij.
Das reziproke Gitter hat bei der Erzeugung von Oberflächenplasmonen auf der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4' eine Rolle.
Das regelmäßige Array 12 reduziert die volle Translationsinvarianz entlang der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4' auf eine diskrete Teilgruppe. Die diskrete Teilgruppe enthält Translationen um ganzzahlige Vielfache der Fundamentalvektoren b₁ und b₂ des Arraygitters. Aufgrund der reduzierten Translationsinvarianz nimmt die Energie-Moment-Erhaltung für ein Photon, das auf Abschnitte der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4' in dem finiten regelmäßigen Array 12 auftrifft, eine modifizierte Form an. Bei solchen Photonen wird die resonante Konvertierung eines einzelnen Photons in ein einzelnes Oberflächenplasmon durch die modifizierte Momenterhaltungsbeziehung begrenzt: Ksp(ω) = Kp(ω) + rG1 + sG2.
Hier sind „r" und „s" ganze Zahlen und „G₁" und „G₂" sind die oben beschriebenen reziproken Gittervektoren für das regelmäßige Array 12 finiter Größe.
Der modifizierte Erhaltungssatz gilt für Arrays 12, die groß genug sind, um eine ungefähre Translationssymmetrie in dem Array 12 herzustellen. Dies würde in der Regel erfordern, daß das Array 12 mindestens vier oder mehr Zeilen und/oder Spalten aus im wesentlichen identischen Verformungen 14 aufweist. Beispielhafte Arrays 12 sind unter diskreten Translationen in einer oder zwei unabhängigen Gitterrichtungen invariant.
Im Gegensatz zu der Momenterhaltungsregel für eine translationsinvariante Grenzfläche besitzt die obige modifizierte Momenterhaltungsregel Lösungen, bei denen ein einzelnes einfallendes Photon ein einzelnes Oberflächenplasmon erzeugt. Die erzeugten Oberflächenplasmonen breiten sich in Richtungen aus, die zu reziproken Gittervektoren des regelmäßigen Arrays 12 korrelieren.
4 zeigt Teilchendispersionskurven, die für das Erzeugen eines Oberflächenplasmons mit einem Moment in der Einfallsebene des Photons auf der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4' von 3 relevant sind. Die Dispersionskurven zeigen, daß ein einfallendes Photon der Frequenz ω₊ ein Oberflächenplasmon mit dem Moment K_sp(ω₊) erzeugt, wobei K_sp(ω₊) = K_x(ω₊) + G₁. Die Dispersionskurven zeigen auch, daß ein einfallendes Photon der Frequenz ω ein Oberflächenplasmon mit dem Moment K_sp(ω_–) erzeugt, wobei K_p(ω_–) = K_x(ω_–) – G₁. Die Frequenzen ω₊ und ω_– sind verschieden, und die erzeugten Oberflächenplasmonen weisen Momente K_sp(ω₊) und K'_sp(ω_–) auf, die zueinander antiparallel sind. Aus diesen Gründen erzeugen einfallende Photonen der Frequenzen ω₊ und ω_– Oberflächenplasmonen, die sich an der Grenzfläche 4' in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten. Die reduzierte Symmetrie der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 4' macht die Ausbreitungsrichtung von erzeugten Oberflächenplasmonen frequenzabhängig. Die Frequenzabhängigkeit der Ausbreitung von Oberflächenplasmonen kann ein wellenlängenabhängiges optisches Routen hervorrufen (siehe unten).
Die modifizierte Beziehung der Momenterhaltung besitzt auch Lösungen, für die K_sp(ω) und K_x(ω) nicht parallel sind, vorausgesetzt das Array 12 weist zwei unabhängige Gitterrichtungen auf. 5 zeigt eine beispielhafte Lösung, für die K_sp1 = K_x + G₁, wobei K_x senkrecht zu G₁ ist. Diese Lösung erfordert, daß jeweils |K_sp| und |K_x| die Photonen- und Oberflächenplasmonendispersionsbeziehungen für die gleiche Frequenz ω lösen. Da K_x und G₁ senkrecht sind, löst das durch K'_sp1 = K_x – G₁ definierte Moment |K'_sp1| und |K_x| auch die jeweiligen Photon- und Oberflächenplasmonendispersionsbeziehungen für die gleiche Frequenz ω. Somit können Photonen mit projizierten Momenten K_x senkrecht zum reziproken Gittervektor G₁ Oberflächenplasmonen mit verschiedenen Momenten erzeugen.
Situationen, wo ein Photon Oberflächenplasmonen mit mehreren Momentenwerten erzeugen kann, sind ineffizient, falls nur einer der erzeugten Typen von Oberflächenplasmonen Ausgabephotonen herstellen kann. Um das Erzeugen von Oberflächenplasmonen mit mehr als einem Momentenwert zu vermeiden, können die Photonen in der Einfallsebene des Photons so ausgewählt werden, daß die Photonen projizierte Momente K'_x nicht orthogonal zu den reziproken Gittervektoren G₁ und G₂ aufweisen, wie in 5 gezeigt.
6 zeigt auf einer Rückseite einer durch 6 beschriebenen beispielhaften Metallschicht als Reaktion auf das Beleuchten der Vorderseite der beispielhaften Metallschicht mit 760-Nanometer-(nm)-Laserlicht erzeugte elektrische Feldintensitäten. Die Vorderseite der Metallschicht bildet eine Metall-Dielektrikum-Grenzfläche mit einem dielektrischen Quarzglassubstrat. In 6 sind die gemessenen elektrischen Feldintensitäten proportional zu gemessenen Photonenzählraten. Während die Erfassung der Daten von 6 wurde die Metallschicht mit kollimiertem Laserlicht beleuchtet, das unter einem Winkel von etwa 50° zum Normalvektor der Schicht auf die Vorderseite der Metallschicht auftraf. Das Laserlicht trifft auf ein 6 × 7 großes rechteckiges Array von Löchern in der Metallschicht auf. Die Löcher weisen Durchmesser von etwa 200 Nanometern (nm) auf und bilden ein finites regelmäßiges Gitter, dessen Gittervektoren b₁ und b₂ Längen von 840 nm bzw. 950 nm aufweisen. Während der Beleuchtung wurden durch Scannen eines feingezogenen Endes einer optischen Faser entlang der Rückseite der Metallschicht und Zählen von Photonenerzeugungsraten in der optischen Faser elektrische Feldintensitäten gemessen.
In 6 weist die 2D-Kurve elektrischer Feldintensitäten zwei prominente Merkmale auf. Ein erstes Merkmal ist ein Array 18 von großen Spitzen. Das Array 18 von großen Spitzen befindet sich über dem Abschnitt der Metallschicht, der von einem regelmäßigen kubischen Array von Löchern durchlöchert ist. Das Array 18 von großen Spitzen ergibt sich aus dem Array von Löchern in der Goldschicht. Das zweite Merkmal ist eine gerade Linie 20 Startende am Array von Löchern in der Goldschicht. Entlang der Linie 20 weisen die elektrischen Feldintensitäten aufgrund abklingender elektrischer Felder von Oberflächenplasmonen erhöhte Werte auf. Die gerade Linie 20 zeigt, daß auf eine Metall-Dielektrikum-Grenzfläche mit einem regelmäßigen Array von Verformungen auftreffende Photonen Oberflächenplasmonen mit einer begrenzten Anzahl von Ausbreitungsrichtungen erzeugen. Für die Experimentalschicht aus Gold breiten sich die erzeugten Oberflächenplasmonen ohne signifikante Zerstreuung über Entfernungen von 20 Mikrometer oder mehr aus.
7A–7E sind grauschattierte Kurven, die elektrische Feldintensitäten entlang der Rückseite der gleichen, in 3 und 6 bereits gezeigten Metall-Dielektrikum-Grenzfläche zeigen. Kästen in den 5A–5E veranschaulichen die mit dem Erzeugen von Oberflächenplasmonen assoziierten Beziehungen einer modifizierten Momenterhaltung. In den 5A–5E wurden die elektrischen Feldintensitäten erzeugt durch Beleuchten der Vorderseite der Grenzfläche mit verschiedenen Laserlichtkonfigurationen. Die hellen und dunklen schattierten Abschnitte der Kurven entsprechen jeweiligen höheren und niedrigeren elektrischen Feldintensitäten. In den Kurven weist die elektrische Feldintensität ein kubisches Array 22 von Spitzenwerten über dem Array von Verformungen, das heißt Löchern, in der Metallschicht auf. In den Kurven sind andere relativ hohe Werte der elektrischen Feldintensität mit den abklingenden elektrischen Feldern von Oberflächenplasmonenstrahlen 24, 26, 28 assoziiert. Die Oberflächenplasmonen der Strahlen 24, 26 breiten sich von dem mit dem Array 22 von Spitzen assoziierten Array 22 von Verformungen nach außen aus. Der Endstrahl 28 wird von Oberflächenplasmonen erzeugt, die sich von einem anderen Array von Löchern in der Metallschicht (nicht gezeigt) nach außen ausbreiten.
Ein Vergleich der 7A und 7B zeigt, daß durch Variieren der Frequenz des einfallenden Laserlichts die Oberflächenplasmonenstrahlen selektiv erregt werden können. Die 7A und 7B stellen Strahlen von Oberflächenplasmonen dar, die von Laserlicht mit der gleichen Einfallsrichtung, aber unterschiedlichen Frequenzen ω und ω', erregt wurden. Bei der Frequenz ω regt das Laserlicht die Oberflächenplasmonen der Momente K_sp(ω) stark an, wobei K_sp(ω) = K_x(ω) – G₁. Diese Oberflächenplasmonen gehören zu dem Strahl 24 von 5A. Bei der Frequenz ω' regt das Laserlicht viel weniger Oberflächenplasmonen mit Momenten K_sp'(ω) gleich K_x(ω') – G₁ an. Zu sehen ist dies durch die geringere Intensität von abklingendem Licht entlang des Strahls 24 in 7B. Bei der Frequenz ω' regt das Laserlicht Oberflächenplasmonen der Momente K_sp'(ω), wobei K_sp'(ω) = K_x(ω) – 2G₂ ist, viel stärker an. Zu sehen ist dies durch die relativ höhere Intensität von abklingendem Licht in dem Strahl 26 von 7B. Somit kann eine Konvertierung von Photonen in Oberflächenplasmonen zwischen den Strahlen 24 und 26 im wesentlichen umgestaltet werden, indem die Frequenz des einfallenden Laserlichts zwischen ω und ω' geändert wird.
Aus einem Vergleich der 7B und 7D geht hervor, daß durch das Variieren des Einfallswinkels des Laserlichts Oberflächenplasmonenstrahlen selektiv erregt werden können. Die 7B und 7D veranschaulichen Strahlen von Oberflächenplasmonen, die von Laserlicht mit den verschiedenen jeweiligen Einfallswinkeln θ und θ' und der gleichen Frequenz ω' erregt wurden. Da der Einfallswinkel des Lichts zwischen θ und θ' variiert, wird der Strahl 26 ausgeschaltet, während der Strahl 24 auf etwa der gleichen Intensität verbleibt. Wenn der Einfallswinkel des Lichts in der gleichen Richtung weiter variiert wird, ohne die Frequenz zu ändern, werden beide Strahlen 24 und 26 im wesentlichen ausgeschaltet, wie in 7E gezeigt.
Aus einem Vergleich der 7B und 7C geht hervor, daß auch durch das Variieren der Polarisation von Laserlicht Oberflächenplasmonenstrahlen 24, 26 selektiv erregt werden können. Die 7B und 7C zeigen Oberflächenplasmonenstrahlen, die von Laserlicht mit der gleichen Frequenz und Einfallsrichtung, aber unterschiedlichen Polarisationen erregt werden. In 7B verläuft das elektrische Feld des einfallenden Lichts weder orthogonal zu Strahl 24 noch zu Strahl 26. Aus diesem Grund werden Oberflächenplasmonen in beiden Strahlen von 7B erregt. In 7C verläuft das elektrische Feld des einfallenden Lichts senkrecht zur Richtung des Strahls 26. In 7C wird der Strahl 26 nicht erregt, weil Oberflächenplasmonen Longitudinalelektronendichtewellen sind und somit von elektrischen Feldern senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung nicht erregt werden. Bei der Einfallskonfiguration von 7B erregt nur eine Polarisation des einfallenden Laserlichts die Oberflächenplasmonen in dem Strahl 26, das heißt die Polarisation parallel zum Strahl 26.
Wie die 6 und 7A–7E veranschaulichen, ermöglicht ein regelmäßiges Array von Verformungen, daß eine Metall-Dielektrikum-Grenzfläche opto-elektrische und elektrisch-optische Signalkonvertierungen erzeugt, die Strahlen aus Oberflächenplasmonen beinhalten. Die Richtungsabhängigkeit der Erzeugung von Oberflächenplasmonen ermöglicht die Konstruktion von optischen Routern, die auf Photonen-Oberflächenplasmonen- und Oberflächenplasmonen-Photonen-Konvertierungen basieren. Das Herstellen solcher nicht-volloptischen Router erfordert einfachere und oftmals preiswertere Verfahren, ermöglicht aber immer noch aufgrund des Fehlens einer Notwendigkeit für Schaltungen, um die Konvertierungen zwischen optischen und elektrischen Signalen zu erhalten, hohe Routinggeschwindigkeiten.
8 und 9 zeigen einen optischen Router 30, der durch Erzeugen von Strahlen aus Oberflächenplasmonen ein frequenzselektives optisches Routen durchführt. Der optische Router 30 enthält eine Dielektrikumsschicht 32 und eine auf der Dielektrikumsschicht 32 angeordnete Metallschicht 34. Die Metallschicht 34 enthält ein Metall wie etwa Gold, Kupfer, Silber oder Aluminium und weist eine Dicke von dem 1–5fachen einer Eindringtiefe der Wellenlänge des gerouteten Lichts auf. Beispielhafte Dieletrikumsschichten 36 enthalten harte Dielektrika wie etwa Quarzglas und weiche Dielektrika wie etwa Luft. Die Vorderseite des Metallfilms 34 bildet eine planare Grenzfläche 36 mit der Dielektrikumsschicht 32.
Die Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 36 enthält ein erstes, zweites und drittes regelmäßiges Array 38–40 von Verformungen 42. Bei den Verformungen 42 kann es sich um Löcher, Vertiefungen, gerade Durchgangslöcher, Bumps oder gerade Stege in der Metallschicht 34, dem dielektrischen Substrat 32 oder beidem handeln. Beispielhafte Verformungen 42 durchziehen die ganze Metallschicht 34. Bevorzugt enthält jedes Array 38–40 eine Menge von vier oder mehr im wesentlichen identischen und gleichmäßig beabstandeten Reihen von Verformungen 42 entlang einer Richtung. Solche Arraygrößen erzeugen eine ungefähre diskrete Translationssymmetrie innerhalb der Arrays 38–40, wodurch eine resonante Erzeugung von Oberflächenplasmonen ermöglicht wird, wenn die oben beschriebenen Beziehungen einer modifizierten Momenterhaltung erfüllt sind. Einige Arrays 38–40 enthalten auch eine Menge von vier oder mehr im wesentlichen identischen und gleichmäßig beabstandeten Verformungen 42 in jeder Reihe, wodurch auf der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 36 ungefähre diskrete Translationssymmetrien in zwei unabhängigen Richtungen erzeugt werden.
Bei einigen Ausführungsformen sind das erste, zweite, dritte regelmäßige Array 38–40 aus Verformungen 42 Abschnitte eines einzelnen regelmäßigen Arrays aus identischen und gleichmäßig beabstandeten Verformungen auf der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 36. Beispielhafte regelmäßige Arrays weisen die Gittertypen wie etwa einfach-kubisch, körperzentriert kubisch, dreieckig usw. auf.
Der optische Router 30 enthält einen optischen Eingangswellenleiter 44, eine Linse 45 und eine undurchsichtige Schicht 48. Zu beispielhaften optischen Eingangswellenleitern 44 zählen optische Ein- oder Mehrmodenfasern. Der optische Eingangswellenleiter 44 ist so positioniert, daß er einen Abschnitt einer Vorderseite der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 36 mit den gerouteten Eingangslichtsignalen beleuchtet. Die Linse 45 kollimiert das Eingangslicht von dem optischen Eingangswellenleiter 44 derart, daß das Eingangslicht unter einem einfachen Winkel θ'' auf die Grenzfläche 36 auftrifft. Die undurchsichtige Schicht 48 enthält ein Fenster 50 über dem ersten Array 38 aus Verformungen 42. Das Fenster ermöglicht, daß die Eingabelichtsignale Oberflächenplasmonen in dem ersten Array 38 erzeugen, und verhindert, daß Eingangslicht Oberflächenplasmonen direkt in den anderen Arrays 39–40 auf der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche erzeugt. Aus diesem Grund erzeugen die Eingangslichtsignale nur Oberflächenplasmonen, die sich von dem ersten Array 38 aus nach außen ausbreiten.
Der optische Router 30 enthält außerdem einen ersten und zweiten optischen Aungangswellenleiter 52, 54 und entsprechende an der Rückseite der Grenzfläche 36 angeordnete Einfügungslinsen 53, 55. Beispielhafte optische Ausgangswellenleiter 52, 54 enthalten optische Ein- und Mehrmodenfasern. Die Linse 53 fokussiert von sich durch das Array 39 ausbreitende Oberflächenplasmonen abgestrahltes Licht in den ersten optischen Ausgangswellenleiter 52. Die Linse 55 fokussiert Licht von sich durch das Array 40 ausbreitenden Oberflächenplasmonen in den zweiten optischen Ausgangswellenleiter 54.
Die Arrays 39 und 40 liegen entlang verschiedener Winkelrichtungen bezüglich einer im ersten Array 38 definierten Mitte. Aus diesem Grund breitet sich ein von dem ersten Array 38 aus nach außen ausbreitendes Oberflächenplasmon durch höchstens eines der Arrays 39 und 40 aus Verformungen 42 aus. Somit erzeugen von Eingangslichtsignalen erzeugte individuelle Oberflächenplasmonen nur ein Ausgangslichtsignal in einem der optischen Ausgangswellenleiter 52 und 54.
Die relativen Orientierungen des optischen Eingangswellenleiters 44 und des ersten Arrays 38 bewirken, daß Eingangslicht der Frequenz ω₁ und ω₂ Oberflächenplasmonen erzeugt, die sich in Richtung des Arrays 39 bzw. des Arrays 40 ausbreiten. Die Orientierung des optischen Eingangswellenleiters 44 bezüglich sowohl der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 36 als auch des ersten Arrays 38 stellen sicher, daß derart erzeugte Oberflächenplasmonen Momente besitzen, die den oben beschriebenen Beziehungen einer modifizierten Momenterhaltung genügen. Aus diesen Gründen erzeugen Eingangslichtsignale Frequenz ω₁ und ω₂ schwingend Strahlen aus Oberflächenplasmonen, die sich in Richtung auf das zweite Array 39 bzw. das dritte Array 40 ausbreiten.
Eine bevorzugte Ausführungsform des nicht-volloptischen Routers 30 bewirkt, daß Eingangslicht der Frequenz ω₁ nur Oberflächenplasmonen erzeugt, die sich in Richtung auf das zweite Array 39 ausbreiten, und bewirkt, daß Eingangslicht der Frequenz ω₂ nur Oberflächenplasmonen erzeugt, die sich in Richtung auf das dritte Array 40 ausbreiten. Bei einer derartigen Konfiguration enthält die Einfallsebene des Eingangslichts einen reziproken Gittervektor des ersten Arrays 38, und die Arrays 39 und 40 liegen auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Arrays 38, wie durch die 4 und 8 dargestellt.
Die relative Orientierung des optischen Ausgangswellenleiters 52 bezüglich sowohl der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 36 als auch dem zweiten Array 39 ist so ausgelegt, daß ein sich vom ersten Array 38 nach außen ausbreitendes Oberflächenplasmon schwingend Licht im zweiten Array 39 abstrahlt. Zudem wird das abgestrahlte Licht in Richtung auf den optischen Ausgangswellenleiter 52 gelenkt. Somit strahlen im zweiten Array 39 ankommende Oberflächenplasmonen Photonen effizient mit Frequenzen und Momenten ab, die zuvor erörterten modifizierten Erhaltungsbeziehungen bezüglich des zweiten regelmäßigen Arrays 39 von Verformungen 42 genügen. Solch eine relative Orientierung stellt eine effektive Kopplung von optischer Eingangsenergie der Frequenz ω₁ an den optischen Ausgangswellenleiter 52 sicher.
Die relative Orientierung des optischen Ausgangswellenleiters 54 bezüglich sowohl der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 36 als auch dem zweiten Array 40 ist analog so ausgelegt, daß ein sich vom ersten Array 38 nach außen ausbreitendes Oberflächenplasmon schwingend Licht im zweiten Array 40 abstrahlt. Zudem wird das abgestrahlte Licht in Richtung auf den optischen Ausgangswellenleiter 54 gelenkt. Somit strahlen im zweiten Array 40 ankommende Oberflächenplasmonen Photonen effizient mit Frequenzen und Momenten ab, die zuvor erörterten modifizierten Erhaltungsbeziehungen bezüglich des dritten regelmäßigen Arrays 40 von Verformungen 42 genügen. Solch eine relative Orientierung stellt eine effektive Kopplung von optischer Eingangsenergie der Frequenz ω₂ an den optischen Ausgangswellenleiter 54 sicher.
10 veranschaulicht ein Verfahren 60 zum optischen Routen von Licht mit dem nicht-volloptischen Router 30 der 8 und 9. Der optische Router 30 erzeugt einen Strahl von Oberflächenplasmonen auf einer Metalloberfläche als Reaktion auf das Empfangen eines optischen Signals der Frequenz ω₁ oder ω₂ von dem optischen Eingangswellenleiter 44 (Schritt 62). Der Strahl strahlt als Reaktion auf das optische Eingangssignal mit der Frequenz ω₁ ein über dem Schwellwert liegendes optisches Signal an den optischen Ausgangswellenleiter 52 ab (Schritt 64). Der Strahl kann auch ein optisches Signal in dem anderen Ausgangswellenleiter 54 abstrahlen, doch weist ein derartiges optisches Signal einen unter dem Schwellwert liegenden Wert auf. Der Strahl strahlt als Reaktion auf das optische Eingangssignal mit der Frequenz ω₂ ein über dem Schwellwert liegendes optisches Signal an den anderen optischen Ausgangswellenleiter 54 ab (Schritt 66). Der Strahl kann auch ein anderes optisches Signal in dem Ausgangswellenleiter 52 erzeugen, doch weist ein derartiges optisches Signal einen unter dem Schwellwert liegenden Wert auf.
Zusätzlich zu dem optischen Router 30 von 8 können auch verschiedene Fasereinrichtungen ein frequenzselektives optisches Routen bereitstellen, das auf optisch-elektrisch-optischen Konvertierungen basiert, an denen Oberflächenplasmonen beteiligt sind.
11 zeigt ein Faserbündel 70, das ein frequenzselektives optisches Routen auf der Basis von Oberflächenplasmonen bereitstellt. Das Faserbündel 70 enthält eine optische Eingangsfaser 72 und mehrere optische Ausgangsfasern 74, 76 zum Empfangen von Licht von der optischen Eingangsfaser 72. Bei dem Faserbündel 70 beinhaltet das optische Routen die Ausbreitung von Oberflächenplasmonen entlang einer Endfläche 78 des Gebiets 80 verbundener Fasern des Faserbündels 70.
12 zeigt eine Endansicht des Gebiets 80 verbundener Fasern von 11. In dem Gebiet 80 verbundener Fasern ist ein Indexanpassungsmedium 82 zwischen Enden der optischen Fasern 72, 74, 76 angeordnet. Die Endfläche 78 des Gebiets 80 verbundener Fasern wurde planarisiert und mit einer Metallschicht, z.B. einer Goldschicht, beschichtet, um eine planare Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 84 zu erzeugen. Die planare Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 84 enthält ein Array aus identischen Verformungen 86. Die Verformungen erzeugen entlang der Endfläche 76 eine zweidimensionale Gitterperiodizität. Beispielhafte Verformungen 86 sind Vertiefungen in dem Dielektrikum oder in dem Metall auf den beiden Seiten der planaren Grenzfläche 84. Beispielhafte Arrays aus Verformungen 86 werden über wohlbekannte Verfahren hergestellt, die maskengesteuerte Ätzungen nach dem Planarisieren der Endfläche 78 des Gebiets 80 verbundener Fasern beinhalten.
Das Muster aus Verformungen 86 ist so konfiguriert, daß die optische Eingangsfaser 72 Oberflächenplasmonen, die sich entlang der planaren Grenzfläche 84 ausbreiten, optisch erregen kann. Insbesondere erregt Licht mit einer im voraus ausgewählten ersten und zweiten Eingangsfrequenz Oberflächenplasmonen, die sich selektiv zu der ersten Ausgangsfaser 74 bzw. zu der zweiten Ausgangsfaser 76 ausbreiten. Das periodische Array aus Verformungen 86 ermöglicht auch, daß die erzeugten Oberflächenplasmonen Licht erzeugen, das in die optischen Ausgangsfasern 74, 76 gekoppelt wird. Somit erzeugen derartige Oberflächenplasmonen ein frequenzselektives optisches Routen zwischen den optischen Fasern 72, 74, 76 über einen Prozeß, der optisch-elektrisch-optische Konvertierungen beinhaltet. Die obige Erörterung von modifizierten Beziehungen der Momenterhaltung ermöglichen auch dem Durchschnittsfachmann, ein sich für ein derartiges optisches Routen geeignetes Array aus verformungen 86 zu entwerfen.
Bei anderen Faserausführungsformen von optischen Routern werden optische Eingangs- und Ausgangsfasern optisch seitlich an eine planare Metall-Dielektrikum-Grenzfläche gekoppelt. Die optischen Fasern weisen Koppelgebiete auf, bei denen Abschnitte ihrer optischen Ummantelung entfernt worden sind, damit optische Kerne der Fasern die Metall-Dielektrikum-Grenzfläche optisch koppeln können. Die Metall-Dielektrikum-Grenzfläche enthält ein periodisches Array aus im wesentlichen identischen Verformungen. Aufgrund des Arrays aus Verformungen erzeugt die optische Eingangsfaser Oberflächenplasmonen für ausgewählte optische Eingangsfrequenzen. Aufgrund des Arrays von Verformungen empfangen die optischen Ausgangsfasern von sich durch assoziierte Koppelgebiete auf der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche ausbreitenden Oberflächenplasmonen abgestrahltes Licht.
Wieder unter Bezugnahme auf die 8 und 11–12 routen einige Ausführungsformen der optischen Router 30, 70 optische Signale auf der Basis von Einfallswinkel, Einfallspolarisation oder Dielektrizitätskonstante an der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche 36, 84 anstatt auf der Basis der optischen Frequenz. Bei einer derartigen Ausführungsform enthält der Router 30 eine mechanische Einrichtung zum Variieren des Einfallswinkels θ'' von von dem optischen Eingangswellenleiter 44 emittiertem Licht. Bei diesem Router 30 erzeugt Eingangslicht Oberflächenplasmonen, die auf der Basis des gewählten Einfallswinkels θ'' zu dem ersten oder zweiten optischen Ausgangswellenleiter 52, 54 abstrahlen. Bei einer weiteren Ausführungsform enthält der Router 30 eine variable Spannungsquelle, die an die Metallschicht 34 angeschlossen und so konfiguriert ist, daß eine Spannung an die Dielektrikumsschicht 32 angelegt wird. Die Dielektrikumsschicht 32 ist elektro-optisch aktiv, so daß die angelegte Spannung die Dielektrizitätskonstante der Schicht und somit das Dispersionsverhältnis für Oberflächenplasmonen an der Grenzfläche 36 ändern kann. Bei diesem Router 30 erzeugt Eingangslicht Oberflächenplasmonen, die auf der Basis der gewählten Spannung an der Dielektrikumsschicht 32 zu dem ersten oder zweiten optischen Ausgangswellenleiter 52, 54 abstrahlen. Bei einer weiteren Ausführungsform enthält der Router 30 einen variablen optischen Polarisationsrotator, der sich zwischen dem Ende des optischen Eingangswellenleiters 44 und der Linse 45 befindet. Bei diesem Router 30 erzeugt Eingangslicht Oberflächenplasmonen, die auf der Basis der gewählten Einfallspolarisation zu dem ersten oder zweiten optischen Ausgangswellenleiter 52, 54 abstrahlen.
Die Erfindung soll andere Ausführungsformen beinhalten, die für einen Fachmann angesichts der Beschreibung, der Figuren und der Ansprüche offensichtlich wären.

Claims

Optischer Router, der folgendes umfaßt: eine Metallschicht (34) mit einer ersten und zweiten Seite; ein regelmäßiges Array (38) von Strukturen (42), entlang der ersten Seite positioniert; einen optischen Eingangswellenleiter (44), der so positioniert ist, daß er einen Abschnitt der ersten Seite beleuchtet, wobei sich der Abschnitt neben einzelnen der Strukturen befindet; und mehrere optische Ausgangswellenleiter (52, 54), die so positioniert sind, daß sie Licht empfangen, das von Abschnitten der Metallschicht abgestrahlt wird, die nicht von dem optischen Eingangswellenleiter beleuchtet werden; wobei der Eingangswellenleiter eine relative Orientierung bezüglich des Arrays derart aufweist, daß eine erste Wellenlänge von Licht von dem optischen Eingangswellenleiter Oberflächenplasmonen erzeugt, die aus einem beleuchteten Abschnitt des Arrays entlang einer Richtung austreten, und eine zweite Wellenlänge des Lichts von dem optischen Eingangswellenleiter, wobei die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge verschieden ist, Oberflächenplasmonen erzeugt, die aus dem beleuchteten Abschnitt des Arrays entlang einer anderen Richtung austreten, wobei der erste und zweite Ausgangswellenleiter so positioniert sind, daß sie Licht empfangen, das von den Oberflächenplasmonen abgestrahlt wird, die entlang der verschiedenen Richtungen austreten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Strukturen des Arrays entlang zweier Richtungen regelmäßig verteilt sind und wobei die ersten und zweiten der optischen Ausgangswellenleiter so positioniert sind, daß sie von unterschiedlichen Abschnitten der Metallschicht abgestrahltes Licht empfangen, wobei die unterschiedlichen Abschnitte unterschiedliche Winkelpositionen um einen in dem regelmäßigen Array liegenden Punkt herum aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin mit einem weiteren regelmäßigen Array (39, 40) von Strukturen (42) entlang der ersten Seite, wobei das andere regelmäßige Array so positioniert ist, daß es bewirkt, daß Oberflächenplasmonen Licht in Richtung auf einen der optischen Ausgangswellenleiter abstrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin folgendes umfaßt: eine im wesentlichen transparente dielektrische Schicht (32) in Kontakt mit der ersten Seite der Metallschicht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, weiterhin mit einer Einrichtung, die in der Lage ist, die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht zu variieren.
Verfahren zum Routen von optischen Signalen, das folgendes umfaßt: Erzeugen (62) von Oberflächenplasmonen auf einer Metalloberfläche (34) als Reaktion darauf, daß ein Abschnitt eines Arrays (38) von Strukturen (42) auf der Oberfläche von einem optischen Eingangswellenleiter (44) ein optisches Signal empfängt; selektives Erzeugen (64) eines optischen Signals in einem ersten optischen Ausgangswellenleiter (52) von den erzeugten Oberflächenplasmonen als Reaktion auf das empfangene optische Signal mit einer ersten Wellenlänge; und selektives Erzeugen (66) eines optischen Signals in einem zweiten optischen Ausgangswellenleiter (54) von den erzeugten Oberflächenplasmonen als Reaktion auf das empfangene optische Signal mit einer zweiten Wellenlänge; wobei die zweite Wellenlänge von der ersten Wellenlänge verschieden ist; wobei das Array eine relative Orientierung zu dem optischen Eingangswellenleiter derart aufweist, daß das empfangene optische Signal Oberflächenplasmonen erzeugt, die aus dem Abschnitt entlang einer Richtung als Reaktion auf das Signal mit der ersten Wellenlänge austreten und die aus dem Abschnitt entlang einer anderen Richtung als Reaktion auf das Signal mit der zweiten Wellenlänge austreten; und der Ausgangswellenleiter Licht von den Oberflächenplasmonen empfängt, die aus dem Abschnitt des Arrays entlang den unterschiedlichen Richtungen austreten.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Erzeugen von Oberflächenplasmonen das Beleuchten eines Abschnitts eines regelmäßigen Arrays von Verformungen entlang der Metalloberfläche mit Licht von dem optischen Signal beinhaltet, wobei die Verformungen des Arrays entlang zweier verschiedener Richtungen regelmäßig verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Erzeugen von Oberflächenplasmonen das Beleuchten eines Abschnitts eines regelmäßigen Arrays von Verformungen entlang der Metalloberfläche mit Licht von dem optischen Signal beinhaltet.