stringtranslate.com

Плазмоника

Конструкция плазмонного волновода для облегчения отрицательного преломления в видимом спектре

Плазмоника или наноплазмоника [1] относится к генерации, обнаружению и манипулированию сигналами на оптических частотах вдоль границ раздела металл-диэлектрик в нанометровом масштабе. [2] Вдохновленная фотоникой , плазмоника следует тенденции миниатюризации оптических устройств (см. также нанофотоника ) и находит применение в зондировании, микроскопии, оптической связи и биофотонике. [3] [4]

Принципы

Плазмоника обычно использует поверхностные плазмонные поляритоны (SPP) [ 2] , которые являются когерентными электронными колебаниями, перемещающимися вместе с электромагнитной волной вдоль интерфейса между диэлектриком (например, стеклом, воздухом) и металлом (например, серебром, золотом). SPP-моды сильно ограничены их поддерживающим интерфейсом, что приводит к сильным взаимодействиям света и вещества. В частности, электронный газ в металле колеблется с электромагнитной волной. Поскольку движущиеся электроны рассеиваются, омические потери в плазмонных сигналах, как правило, велики, что ограничивает расстояния передачи сигнала субсантиметровым диапазоном [5] , если только не используются гибридные оптоплазмонные световодные сети [6] [7] [8] или усиление плазмонного усиления [9] . Помимо SPP, локализованные поверхностные плазмонные моды, поддерживаемые металлическими наночастицами, называются плазмонными модами. Оба режима характеризуются большими значениями импульса, что обеспечивает сильное резонансное усиление локальной плотности фотонных состояний [10] и может быть использовано для усиления слабых оптических эффектов оптоэлектронных устройств. [4]

Мотивация и текущие проблемы

В настоящее время предпринимаются попытки интегрировать плазмонику с электрическими цепями или в аналоговой электрической цепи объединить эффективность размера электроники с емкостью данных фотонных интегральных схем (PIC) . [11] В то время как длины затворов узлов CMOS, используемых для электрических цепей, постоянно уменьшаются, размер обычных PIC ограничен дифракцией , что создает барьер для дальнейшей интеграции. Плазмоника могла бы преодолеть это несоответствие размеров между электронными и фотонными компонентами. В то же время фотоника и плазмоника могут дополнять друг друга, поскольку при правильных условиях оптические сигналы могут быть преобразованы в SPP и наоборот.

Одной из самых больших проблем в создании плазмонных цепей является короткая длина распространения поверхностных плазмонов. Обычно поверхностные плазмоны проходят расстояния всего в миллиметрах, прежде чем затухание ослабит сигнал. [12] Это во многом связано с омическими потерями, которые становятся все более важными по мере того, как электрическое поле проникает глубже в металл. Исследователи пытаются уменьшить потери при распространении поверхностных плазмонов, изучая различные материалы, геометрии, частоту и их соответствующие свойства. [13] Новые перспективные плазмонные материалы с низкими потерями включают оксиды и нитриды металлов [14], а также графен . [15] Ключом к большей свободе проектирования являются улучшенные методы изготовления, которые могут дополнительно способствовать снижению потерь за счет снижения шероховатости поверхности.

Другим предсказуемым барьером, который должны будут преодолеть плазмонные схемы, является тепло; тепло в плазмонной схеме может превышать или не превышать тепло, вырабатываемое сложными электронными схемами. [12] Недавно было предложено уменьшить нагрев в плазмонных сетях, спроектировав их для поддержки захваченных оптических вихрей, которые циркулируют световой поток мощности через межчастичные зазоры, тем самым уменьшая поглощение и омический нагрев, [16] [17] [18] В дополнение к теплу также трудно изменить направление плазмонного сигнала в схеме без значительного уменьшения его амплитуды и длины распространения. [11] Одним из умных решений проблемы изгиба направления распространения является использование брэгговских зеркал для наклона сигнала в определенном направлении или даже для работы в качестве разделителей сигнала. [19] Наконец, новые приложения плазмоники для управления термической эмиссией [20] и магнитной записи с помощью тепла [21] используют омические потери в металлах для получения устройств с новыми улучшенными функциональными возможностями.

Волноводный

Распределение поля в гибридном плазмонном волноводе

Оптимальные конструкции плазмонных волноводов стремятся максимизировать как ограничение, так и длину распространения поверхностных плазмонов в плазмонной цепи. Поверхностные плазмонные поляритоны характеризуются комплексным волновым вектором с компонентами, параллельными и перпендикулярными интерфейсу металл-диэлектрик. Мнимая часть компонента волнового вектора обратно пропорциональна длине распространения SPP, в то время как ее действительная часть определяет ограничение SPP. [22] Характеристики дисперсии SPP зависят от диэлектрических постоянных материалов, составляющих волновод. Длина распространения и ограничение волны поверхностного плазмонного поляритона обратно пропорциональны. Поэтому более сильное ограничение моды обычно приводит к более коротким длинам распространения. Построение практичной и пригодной к использованию схемы поверхностного плазмона в значительной степени зависит от компромисса между распространением и ограничением. Максимизация как ограничения, так и длины распространения помогает смягчить недостатки выбора длины распространения вместо ограничения и наоборот. Было создано несколько типов волноводов в поисках плазмонной цепи с сильным ограничением и достаточной длиной распространения. Некоторые из наиболее распространенных типов включают изолятор-металл-изолятор (IMI), [23] металл-изолятор-металл (MIM), [24] диэлектрически загруженный поверхностный плазмон-поляритон (DLSPP), [25] [26] щелевой плазмон-поляритон (GPP), [27] канальный плазмон-поляритон (CPP), [28] клиновидный поверхностный плазмон-поляритон (клин), [29] и гибридные оптоплазмонные волноводы и сети. [30] [31] Потери на рассеивание, сопровождающие распространение SPP в металлах, можно уменьшить путем усиления усиления или путем объединения их в гибридные сети с фотонными элементами, такими как волокна и волноводы со связанными резонаторами. [30] [31] Эта конструкция может привести к ранее упомянутому гибридному плазмонному волноводу, который демонстрирует субволновую моду в масштабе одной десятой дифракционного предела света, наряду с приемлемой длиной распространения. [32] [33] [34] [35]

Муфта

Входной и выходной порты плазмонной схемы будут принимать и отправлять оптические сигналы соответственно. Для этого необходимо связывание и развязывание оптического сигнала с поверхностным плазмоном. [36] Дисперсионное соотношение для поверхностного плазмона лежит полностью ниже дисперсионного соотношения для света, что означает, что для возникновения связи дополнительный импульс должен быть предоставлен входным соединителем для достижения сохранения импульса между входящим светом и волнами поверхностного плазмонного поляритона, запущенными в плазмонной схеме. [11] Для этого есть несколько решений, включая использование диэлектрических призм, решеток или локализованных рассеивающих элементов на поверхности металла, чтобы помочь вызвать связь путем сопоставления импульсов падающего света и поверхностных плазмонов. [37] После того, как поверхностный плазмон был создан и отправлен в пункт назначения, его можно преобразовать в электрический сигнал. Этого можно достичь, используя фотодетектор в металлической плоскости или разделив поверхностный плазмон на свободно распространяющийся свет, который затем можно преобразовать в электрический сигнал. [11] В качестве альтернативы сигнал может быть выведен в распространяющуюся моду оптического волокна или волновода.

Активные устройства

Прогресс, достигнутый в области поверхностных плазмонов за последние 50 лет, привел к разработке различных типов устройств, как активных, так и пассивных. Некоторые из наиболее известных областей активных устройств - оптические, термооптические и электрооптические. Полностью оптические устройства продемонстрировали способность стать жизнеспособным источником для обработки информации, связи и хранения данных при использовании в качестве модулятора. В одном случае было продемонстрировано взаимодействие двух световых лучей с разными длинами волн путем преобразования их в совместно распространяющиеся поверхностные плазмоны с помощью квантовых точек селенида кадмия . [38] Электрооптические устройства также объединили аспекты как оптических, так и электрических устройств в форме модулятора. В частности, электрооптические модуляторы были разработаны с использованием недолговечных связанных резонансных металлических решеток и нанопроводов, которые полагаются на дальнодействующие поверхностные плазмоны (LRSP). [39] Аналогично, термооптические устройства, которые содержат диэлектрический материал, показатель преломления которого изменяется с изменением температуры, также использовались в качестве интерферометрических модуляторов сигналов SPP в дополнение к переключателям направленного ответвителя. Было показано, что некоторые термооптические устройства используют волновод LRSP вдоль золотых полос, которые встроены в полимер и нагреваются электрическими сигналами в качестве средства для модуляции и переключателей направленного ответвителя. [40] Другое потенциальное поле заключается в использовании спазеров в таких областях, как нанолитография, зондирование и микроскопия. [41]

Пассивные устройства

Хотя активные компоненты играют важную роль в использовании плазмонных схем, пассивные схемы столь же неотъемлемы и, что удивительно, нетривиальны в изготовлении. Многие пассивные элементы, такие как призмы , линзы и светоделители, могут быть реализованы в плазмонной схеме, однако изготовление в наномасштабе оказалось сложным и имеет неблагоприятные последствия. Значительные потери могут возникать из-за развязки в ситуациях, когда используется преломляющий элемент с другим показателем преломления. Тем не менее, были предприняты некоторые шаги для минимизации потерь и максимизации компактности фотонных компонентов. Один из таких шагов основан на использовании брэгговских отражателей или зеркал, состоящих из последовательности плоскостей, для управления поверхностным плазмонным пучком. При оптимизации брэгговские отражатели могут отражать почти 100% входящей мощности. [11] Другой метод, используемый для создания компактных фотонных компонентов, основан на волноводах CPP, поскольку они продемонстрировали сильное ограничение с приемлемыми потерями менее 3 дБ в пределах телекоммуникационных длин волн. [42] Максимизация потерь и компактности в отношении использования как пассивных, так и активных устройств создает больший потенциал для использования плазмонных цепей.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Новотны, Лукас; Хехт, Берт (2012). Принципы нанооптики . Норвуд: Издательство Кембриджского университета . ISBN 9780511794193.
  2. ^ ab Maier, SA; Brongersma, ML; Kik, PG; Meltzer, S.; Requicha, AAG; Atwater, HA (2001). «Плазмоника — путь к наноразмерным оптическим устройствам». Advanced Materials . 13 (19): 1501–1505. doi :10.1002/1521-4095(200110)13:19<1501::AID-ADMA1501>3.0.CO;2-Z.
  3. ^ Грамотнев, Дмитрий К.; Божевольный, Сергей И. (2010). «Плазмоника за пределами дифракционного предела». Nature Photonics . 4 (2): 83–91. Bibcode :2010NaPho...4...83G. doi :10.1038/nphoton.2009.282.
  4. ^ аб Маркес Ламейриньяс, Рикардо А.; Н. Торрес, Жоау Паулу; Баптиста, Антониу; Маркиш Мартинс, Мария Жуан. «Новый метод анализа роли поверхностных плазмонных поляритонов на границах раздела диэлектрик-металл». Журнал IEEE Photonics . дои : 10.1109/JPHOT.2022.3181967 .
  5. ^ Барнс, Уильям Л. (2006-03-21). «Шкала длин поверхностных плазмонов–поляритонов: путь к субволновой оптике». Журнал оптики A. 8 ( 4): S87–S93. doi :10.1088/1464-4258/8/4/s06.
  6. ^ Борискина, С.В.; Рейнхард, Б.М. (2011-02-07). «Спектрально и пространственно конфигурируемые суперлинзы для оптоплазмонных наносхем». Труды Национальной академии наук . 108 (8): 3147–3151. arXiv : 1110.6822 . Bibcode : 2011PNAS..108.3147B. doi : 10.1073/pnas.1016181108 . PMC 3044402. PMID  21300898 . 
  7. ^ Ahn, Wonmi; Hong, Yan; Борискина, Светлана В.; Reinhard, Björn M. (2013-04-25). «Демонстрация эффективного переноса фотонов на кристалле в самоорганизующихся оптоплазмонных сетях». ACS Nano . 7 (5): 4470–4478. doi :10.1021/nn401062b. PMID  23600526.
  8. ^ Сантьяго-Кордоба, Мигель А.; Борискина, Светлана В.; Фоллмер, Франк; Демирель, Мелик К. (2011-08-15). "Обнаружение белка на основе наночастиц с помощью оптического сдвига резонансной микрополости". Applied Physics Letters . 99 (7): 073701. arXiv : 1108.2337 . Bibcode : 2011ApPhL..99g3701S. doi : 10.1063/1.3599706. S2CID  54703911.
  9. ^ Грандидье, Джонатан; де Франс, Жерар Кола; Массено, Себастьен; Буэлье, Александр; Марки, Лоран; Вебер, Жан-Клод; Фино, Кристоф; Дерё, Ален (12 августа 2009 г.). «Распространение с усилением в плазмонном волноводе на длине волны телекоммуникаций». Нано-буквы . 9 (8): 2935–2939. Бибкод : 2009NanoL...9.2935G. дои : 10.1021/nl901314u. ПМИД  19719111.
  10. ^ С. В. Борискина, Х. Гасеми и Г. Чен, Materials Today, т. 16, стр. 379-390, 2013
  11. ^ abcde Эббесен, Томас В.; Жене, Сириак; Божевольный, Сергей И. (2008). "Поверхностно-плазмонные схемы". Physics Today . 61 (5): 44–50. Bibcode : 2008PhT....61e..44E. doi : 10.1063/1.2930735.
  12. ^ ab Бронгерсма, Марк. «Являются ли плазмонные схемы волной будущего?» Стэнфордская школа инженерии. Np, nd Web. 26 ноября 2014 г. <http://engineering.stanford.edu/research-profile/mark-brongersma-mse>.
  13. ^ Озбей, Э. (2006-01-13). «Плазмоника: слияние фотоники и электроники в наномасштабных измерениях». Science . 311 (5758): 189–193. Bibcode :2006Sci...311..189O. doi :10.1126/science.1114849. hdl : 11693/38263 . PMID  16410515. S2CID  2107839.
  14. ^ Naik, Gururaj V.; Kim, Jongbum; Boltasseva, Alexandra (2011-09-06). «Оксиды и нитриды как альтернативные плазмонные материалы в оптическом диапазоне [Приглашен]». Optical Materials Express . 1 (6): 1090–1099. arXiv : 1108.0993 . Bibcode : 2011OMExp...1.1090N. doi : 10.1364/ome.1.001090. S2CID  13870978.
  15. ^ Vakil, A.; Engheta, N. (2011-06-09). «Трансформационная оптика с использованием графена». Science . 332 (6035): 1291–1294. Bibcode :2011Sci...332.1291V. doi :10.1126/science.1202691. PMID  21659598. S2CID  29589317.
  16. ^ Борискина, Светлана В.; Рейнхард, Бьёрн М. (2012). «Формирование потока света в наномасштабе: от вихревых нанопередач до фазоуправляемых плазмонных машин». Nanoscale . 4 (1): 76–90. doi :10.1039/c1nr11406a. PMC 3339274 . PMID  22127488. 
  17. ^ Ahn, Wonmi; Борискина, Светлана В.; Хонг, Ян; Рейнхард, Бьёрн М. (2011-12-21). «Усиление электромагнитного поля и формирование спектра с помощью плазмонно-интегрированных оптических вихрей». Nano Letters . 12 (1): 219–227. doi :10.1021/nl203365y. PMC 3383062 . PMID  22171957. 
  18. ^ С. В. Борискина «Плазмоника с изюминкой: укрощение оптических торнадо в наномасштабе», глава 12 в: Плазмоника: теория и приложения (под ред. Т. В. Шахбазяна и М. И. Штокмана) Springer 2013
  19. ^ Веронис, Георгиос; Фань, Шанхуэй (2005-09-26). "Изгибы и разветвители в субволновых плазмонных волноводах металл-диэлектрик-металл". Applied Physics Letters . 87 (13): 131102. Bibcode : 2005ApPhL..87m1102V. doi : 10.1063/1.2056594.
  20. ^ Борискина, Светлана; Тонг, Джонатан; Хуан, И; Чжоу, Цзявэй; Чилоян, Вазрик; Чэнь, Ганг (2015-06-18). "Улучшение и настраиваемость ближнеполевого радиационного теплопереноса, опосредованного поверхностными плазмонными поляритонами в тонких плазмонных пленках". Photonics . 2 (2): 659–683. arXiv : 1604.08130 . Bibcode :2015Photo...2..659B. doi : 10.3390/photonics2020659 .
  21. ^ Challener, WA; Peng, Chubing; Itagi, AV; Karns, D.; Peng, Wei; et al. (2009-03-22). "Магнитная запись с использованием тепла с помощью преобразователя ближнего поля с эффективной передачей оптической энергии". Nature Photonics . 3 (4): 220–224. Bibcode :2009NaPho...3..220C. doi :10.1038/nphoton.2009.26.
  22. ^ Sorger, Volker J.; Oulton, Rupert F.; Ma, Ren-Min; Zhang, Xiang (2012). «К интегрированным плазмонным схемам». MRS Bulletin . 37 (8): 728–738. doi :10.1557/mrs.2012.170. S2CID  15391453.
  23. ^ Верхаген, Эволд; Спасенович, Марко; Полман, Альберт; Кёйперс, Л. (Кобус) (2009-05-19). "Возбуждение плазмона нанопроволоки путем адиабатической трансформации мод". Physical Review Letters . 102 (20): 203904. Bibcode : 2009PhRvL.102t3904V. doi : 10.1103/physrevlett.102.203904. PMID  19519030.
  24. ^ Dionne, JA; Lezec, HJ; Atwater, Harry A. (2006). «Сильно ограниченный перенос фотонов в субволновых металлических щелевых волноводах». Nano Letters . 6 (9): 1928–1932. Bibcode : 2006NanoL...6.1928D. doi : 10.1021/nl0610477. PMID  16968003.
  25. ^ Steinberger, B.; Hohenau, A.; Ditlbacher, H.; Stepanov, AL; Drezet, A.; Aussenegg, FR; Leitner, A.; Krenn, JR (2006-02-27). "Диэлектрические полосы на золоте как поверхностные плазмонные волноводы". Applied Physics Letters . 88 (9): 094104. Bibcode : 2006ApPhL..88i4104S. doi : 10.1063/1.2180448.
  26. ^ Красавин, Алексей В.; Заяц, Анатолий В. (2010-05-19). "Плазмонные волноводы на основе кремния". Optics Express . 18 (11): 11791–9. Bibcode : 2010OExpr..1811791K. doi : 10.1364/oe.18.011791 . PMID  20589040.
  27. ^ Юнг, К.-Й.; Тейшейра, Ф.Л.; Реано, Р.М. (2009). «Поверхностные плазмонные копланарные волноводы: характеристики мод и потери преобразования мод». IEEE Photonics Technology Letters . 21 (10): 630–632. Bibcode : 2009IPTL...21..630J. doi : 10.1109/lpt.2009.2015578. S2CID  6788393.
  28. ^ Божевольный, Сергей И.; Волков, Валентин С.; Дево, Элоиз; Лалуэ, Жан-Ив; Эббесен, Томас В. (2006). «Компоненты канального плазмонного субволнового волновода, включая интерферометры и кольцевые резонаторы». Nature . 440 (7083): 508–511. Bibcode :2006Natur.440..508B. doi : 10.1038/nature04594 . PMID  16554814.
  29. ^ Pile, DFP; Ogawa, T.; Gramotnev, DK; Okamoto, T.; Haraguchi, M.; Fukui, M.; Matsuo, S. (2005-08-08). "Теоретическое и экспериментальное исследование сильно локализованных плазмонов на треугольных металлических клиньях для субволнового волновода". Applied Physics Letters . 87 (6): 061106. Bibcode : 2005ApPhL..87f1106P. doi : 10.1063/1.1991990.
  30. ^ ab Борискина, С.В.; Рейнхард, Б.М. (2011-02-07). "Спектрально и пространственно конфигурируемые суперлинзы для оптоплазмонных наносхем". Труды Национальной академии наук . 108 (8): 3147–3151. arXiv : 1110.6822 . Bibcode :2011PNAS..108.3147B. doi : 10.1073/pnas.1016181108 . PMC 3044402 . PMID  21300898. 
  31. ^ ab Ahn, Wonmi; Hong, Yan; Борискина, Светлана В.; Reinhard, Björn M. (2013-04-25). «Демонстрация эффективного переноса фотонов на кристалле в самоорганизующихся оптоплазмонных сетях». ACS Nano . 7 (5): 4470–4478. doi :10.1021/nn401062b. PMID  23600526.
  32. ^ MZ Alam, J. Meier, JS Aitchison и M. Mojahedi, «Распространение супермоды в среде с низким индексом», идентификатор статьи: JThD112, CLEO/QELS 2007.
  33. ^ Sorger, Volker J.; Ye, Ziliang; Oulton, Rupert F.; Wang, Yuan; Bartal, Guy; Yin, Xiaobo; Zhang, Xiang (2011-05-31). "Экспериментальная демонстрация оптического волновода с малыми потерями на глубоких субволновых масштабах". Nature Communications . 2 (1): 331. Bibcode :2011NatCo...2..331S. doi : 10.1038/ncomms1315 .
  34. ^ Oulton, RF; Sorger, VJ; Genov, DA; Pile, DFP; Zhang, X. (2008-07-11). "Гибридный плазмонный волновод для ограничения длины волны и распространения на большие расстояния". Nature Photonics . 2 (8): 496–500. Bibcode :2008NaPho...2.....O. doi : 10.1038/nphoton.2008.131 . hdl : 10044/1/19117 .
  35. ^ Alam, Muhammad Z.; Aitchison, J. Stewart; Mojahedi, Mo (2014-02-19). «Брак по расчету: гибридизация поверхностных плазмонных и диэлектрических волноводных мод». Laser & Photonics Reviews . 8 (3): 394–408. Bibcode : 2014LPRv....8..394A. doi : 10.1002/lpor.201300168. S2CID  54036931.
  36. ^ Кренн, Дж. Р.; Вибер, Дж.-К. (15.04.2004). Ричардс, Дэвид; Заяц, Анатолий (ред.). «Поверхностные плазмонные поляритоны в металлических полосах и проводах». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия A: Математические, физические и инженерные науки . 362 (1817): 739–756. doi :10.1098/rsta.2003.1344. PMID  15306491. S2CID  6870662.
  37. ^ González, MU; Weeber, J.-C.; Baudrion, A.-L.; Dereux, A.; Stepanov, AL; Krenn, JR; Devaux, E.; Ebbesen, TW (2006-04-13). "Проектирование, характеристика ближнего поля и моделирование 45° поверхностно-плазмонных брэгговских зеркал". Physical Review B. 73 ( 15): 155416. Bibcode : 2006PhRvB..73o5416G. doi : 10.1103/physrevb.73.155416.
  38. ^ Pacifici, Domenico; Lezec, Henri J.; Atwater, Harry A. (2007). «Полностью оптическая модуляция плазмонным возбуждением квантовых точек CdSe». Nature Photonics . 1 (7): 402–406. Bibcode : 2007NaPho...1..402P. doi : 10.1038/nphoton.2007.95.
  39. ^ Wu, Zhi; Nelson, Robert L.; Haus, Joseph W.; Zhan, Qiwen (2008-03-05). «Проект плазмонного электрооптического модулятора с использованием резонансной металлической решетки». Optics Letters . 33 (6): 551–3. Bibcode : 2008OptL...33..551W. doi : 10.1364/ol.33.000551. PMID  18347706.
  40. ^ Николайсен, Томас; Леоссон, Кристьян; Божевольный, Сергей И. (2004-12-13). "Модуляторы и переключатели на основе поверхностных плазмон-поляритонов, работающие на телекоммуникационных длинах волн". Applied Physics Letters . 85 (24): 5833–5835. Bibcode :2004ApPhL..85.5833N. doi :10.1063/1.1835997.
  41. ^ Стокман, Марк И. (2008). «Объяснение спазеров». Nature Photonics . 2 (6): 327–329. Bibcode : 2008NaPho...2..327S. doi : 10.1038/nphoton.2008.85.
  42. ^ Волков, Валентин С.; Божевольный, Сергей И.; Дево, Элоиз; Эббесен, Томас В. (2006). «Компактные постепенные изгибы для канальных плазмонных поляритонов». Optics Express . 14 (10): 4494–503. Bibcode : 2006OExpr..14.4494V. doi : 10.1364/oe.14.004494 . PMID  19516603.