Гибридный плазмонный волновод

Гибридный плазмонный волновод — это оптический волновод , в котором достигается сильное ограничение света за счет соединения света, направляемого диэлектрическим волноводом , и плазмонного волновода. Он образуется путем отделения среды с высоким показателем преломления (обычно кремния ) от поверхности металла (обычно золота или серебра ) небольшим зазором.

Поперечное сечение гибридного плазмонного волновода. Мощность распространяется в направлении z.

История

Диэлектрические волноводы используют полное внутреннее отражение для удержания света в области с высоким индексом. Они могут направлять свет на большие расстояния с очень низкими потерями, но их способность удерживать свет ограничена дифракцией. С другой стороны, плазмонные волноводы используют поверхностный плазмон для удержания света вблизи металлической поверхности. Светоудерживающая способность плазмонных волноводов не ограничивается дифракцией. ^{[ 1 ]} и, как следствие, они могут ограничивать свет очень небольшими объемами. Однако эти направляющие несут значительные потери при распространении из-за присутствия металла в составе направляющей конструкции. ^{[ 2 ]} Целью разработки гибридного плазмонного волновода было объединение этих двух различных схем волновода и достижение высокого удержания света без больших потерь. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} Было предложено множество различных вариантов этой структуры. С тех пор было предложено множество других типов гибридных плазмонных волноводов для улучшения способности удержания света или снижения сложности изготовления. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Направленная плотность мощности в гибридном плазмонном волноводе. Свет распространяется в направлении z.

Принцип работы

Работу гибридных плазмонных волноводов можно объяснить с помощью концепции связи мод . Наиболее часто используемый гибридный плазмонный волновод состоит из кремниевой нанопроволоки, расположенной очень близко к поверхности металла и разделенной областью с низким коэффициентом преломления. Кремниевый волновод поддерживает режим диэлектрического волновода, который в основном заключен в кремнии. Поверхность металла поддерживает поверхностный плазмон , который удерживается вблизи поверхности металла. Когда эти две структуры приближаются друг к другу, мода диэлектрического волновода, поддерживаемая кремниевой нанопроволокой, соединяется с модой поверхностного плазмона, поддерживаемой поверхностью металла. В результате такого взаимодействия мод свет становится сильно ограниченным в области между металлом и областью с высоким индексом (кремниевая нанопроволока).

Приложения

Гибридный плазмонный волновод обеспечивает большое ограничение света при меньших потерях по сравнению со многими ранее описанными плазмонными волноводами. ^{[ 7 ]} Он также совместим с технологией кремниевой фотоники и может быть интегрирован с кремниевыми волноводами на одном чипе. Подобно щелевому волноводу , он также может удерживать свет в среде с низким показателем преломления. Сочетание этих привлекательных особенностей стимулировало всемирную исследовательскую деятельность по применению этой новой руководящей схемы. Яркими примерами таких приложений являются компактные лазеры. ^{[ 8 ]} электрооптические модуляторы, ^{[ 9 ]} биосенсоры, ^{[ 10 ]}^{[ 11 ]} устройства контроля поляризации, ^{[ 12 ]} и термооптические переключатели. ^{[ 13 ]}^{[ 14 ]}

Ссылки

^ Д.К. Грамотнев; С.И. Божевольный (2010). «Плазмоника за дифракционным пределом». Природная фотоника . 4 (2): 83–91. Бибкод : 2010NaPho...4...83G . дои : 10.1038/nphoton.2009.282 .
^ У. Л. Барнс (2006). «Шкалы длины поверхностных плазмон-поляритонов: путь к субволновой оптике». Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика . 8 (4): С87. Бибкод : 2006JOptA...8S..87B . дои : 10.1088/1464-4258/8/4/S06 .
^ М.З. Алам, Дж. Мейер, Дж. С. Эйчисон и М. Моджахеди (2007). Распространение супермоды в среде с низким индексом . Конференция по лазерам и электрооптике (CLEO). {{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ РФ Оултон; В.Дж. Зоргер; Д.А. Генов; стопка DFP; С. Чжан (2008). «Гибридный плазмонный волновод для ограничения субволн и распространения на большие расстояния». Природная фотоника . 2 (8): 496–500. Бибкод : 2008NaPho...2.....O . дои : 10.1038/nphoton.2008.131 . hdl : 10044/1/19117 .
^ Д. Дай; С. Он (2009). «Гибридный плазмонный волновод на основе кремния с металлической крышкой для наноудержания света» . Опция Выражать . 17 (19): 16646–16653. Бибкод : 2009OExpr..1716646D . дои : 10.1364/OE.17.016646 . ПМИД 19770880 .
^ Ю. Биан; З. Чжэн; С. Чжао; Л. Лю; Ю. Су; Дж. Лю; Дж. Чжу; Т. Чжоу (2013). «Наноразмерный световод в гибридном плазмонном волноводе на основе кремния, включающем обратный металлический гребень». Физ. Статус Солиди А. 210 (7): 1424–1428. Бибкод : 2013PSSAR.210.1424B . дои : 10.1002/pssa.201228682 . S2CID 115148678 .
^ МЗ Алам; Дж. С. Эйчисон; М. Моджахеди (2014). «Брак по расчету: гибридизация плазмонных и диэлектрических волноводных мод». Обзоры лазерной и фотоники . 8 (3): 394–408. Бибкод : 2014ЛПРв....8..394А . дои : 10.1002/lpor.201300168 . S2CID 54036931 .
^ РФ Оултон; В.Дж. Зоргер; Т. Зентграф; РМ. Ма; К. Глэдден; Л. Дай; Г. Барталь; С. Чжан (2009). «Плазмонные лазеры в глубоком субволновом масштабе» (PDF) . Природа . 461 (7264): 629–632. Бибкод : 2009Natur.461..629O . дои : 10.1038/nature08364 . hdl : 10044/1/19116 . ПМИД 19718019 . S2CID 912028 .
^ В.Дж. Зоргер; НД Л-Кимура; РМ. Ма; С. Чжан (2012). «Сверхкомпактный кремниевый нанофотонный модулятор с широкополосным откликом» . Нанофотоника . 1 (1): 17–22. Бибкод : 2012Nanop...1...17S . дои : 10.1515/nanoph-2012-0009 . S2CID 10431638 .
^ Л. Чжоу; Х. Вс; С. Ли; Дж. Чен (2011). «Миниатюрный микрокольцевой резонаторный датчик на основе гибридного плазмонного волновода» . Датчики . 11 (7): 6856–6867. Бибкод : 2011Senso..11.6856Z . дои : 10.3390/s110706856 . ПМК 3231671 . ПМИД 22163989 .
^ С. Гош; БМА Рахман (2019). «Разработка встроенного гибридного плазмонного интерферометра Маха-Цендера для определения температуры и концентрации химических растворов» . Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 279 (7): 490–502. дои : 10.1016/j.snb.2018.09.070 . ПМК 3231671 . ПМИД 22163989 .
^ Дж. Н. Касперс; Дж. С. Эйчисон; М. Моджахеди (2013). «Экспериментальная демонстрация интегрированного гибридного вращателя плазмонной поляризации». Оптические письма . 38 (20): 4054–4057. Бибкод : 2013OptL...38.4054C . дои : 10.1364/OL.38.004054 . ПМИД 24321921 . S2CID 26909408 .
^ Д. Перрон; М. Ву; К. Хорват; Д. Бахман; В. Ван (2011). «Целоплазмонное переключение на основе тепловой нелинейности в полимерном плазмонном микрокольцевом резонаторе». Оптические письма . 36 (14): 2731–2733. Бибкод : 2011OptL...36.2731P . дои : 10.1364/OL.36.002731 . ПМИД 21765524 .
^ Ф. Лу; Л. Тайлен; Л. Восински (2013). Чебен, Павел; Чтироки, Иржи; Молина-Фернандес, Иньиго (ред.). «Гибридные плазмонные микродисковые резонаторы для оптических соединений». Учеб. ШПИОН . Интегрированная оптика: физика и моделирование. 8781 : 87810X. Бибкод : 2013SPIE.8781E..0XL . дои : 10.1117/12.2017108 . S2CID 119802655 .

[1] Д.К. Грамотнев; С.И. Божевольный (2010). «Плазмоника за дифракционным пределом». Природная фотоника . 4 (2): 83–91. Бибкод : 2010NaPho...4...83G . дои : 10.1038/nphoton.2009.282 .

[2] У. Л. Барнс (2006). «Шкалы длины поверхностных плазмон-поляритонов: путь к субволновой оптике». Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика . 8 (4): С87. Бибкод : 2006JOptA...8S..87B . дои : 10.1088/1464-4258/8/4/S06 .

[3] М.З. Алам, Дж. Мейер, Дж. С. Эйчисон и М. Моджахеди (2007). Распространение супермоды в среде с низким индексом . Конференция по лазерам и электрооптике (CLEO). {{cite conference}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[4] РФ Оултон; В.Дж. Зоргер; Д.А. Генов; стопка DFP; С. Чжан (2008). «Гибридный плазмонный волновод для ограничения субволн и распространения на большие расстояния». Природная фотоника . 2 (8): 496–500. Бибкод : 2008NaPho...2.....O . дои : 10.1038/nphoton.2008.131 . hdl : 10044/1/19117 .

[5] Д. Дай; С. Он (2009). «Гибридный плазмонный волновод на основе кремния с металлической крышкой для наноудержания света» . Опция Выражать . 17 (19): 16646–16653. Бибкод : 2009OExpr..1716646D . дои : 10.1364/OE.17.016646 . ПМИД 19770880 .

[6] Ю. Биан; З. Чжэн; С. Чжао; Л. Лю; Ю. Су; Дж. Лю; Дж. Чжу; Т. Чжоу (2013). «Наноразмерный световод в гибридном плазмонном волноводе на основе кремния, включающем обратный металлический гребень». Физ. Статус Солиди А. 210 (7): 1424–1428. Бибкод : 2013PSSAR.210.1424B . дои : 10.1002/pssa.201228682 . S2CID 115148678 .

[7] МЗ Алам; Дж. С. Эйчисон; М. Моджахеди (2014). «Брак по расчету: гибридизация плазмонных и диэлектрических волноводных мод». Обзоры лазерной и фотоники . 8 (3): 394–408. Бибкод : 2014ЛПРв....8..394А . дои : 10.1002/lpor.201300168 . S2CID 54036931 .

[8] РФ Оултон; В.Дж. Зоргер; Т. Зентграф; РМ. Ма; К. Глэдден; Л. Дай; Г. Барталь; С. Чжан (2009). «Плазмонные лазеры в глубоком субволновом масштабе» (PDF) . Природа . 461 (7264): 629–632. Бибкод : 2009Natur.461..629O . дои : 10.1038/nature08364 . hdl : 10044/1/19116 . ПМИД 19718019 . S2CID 912028 .

[9] В.Дж. Зоргер; НД Л-Кимура; РМ. Ма; С. Чжан (2012). «Сверхкомпактный кремниевый нанофотонный модулятор с широкополосным откликом» . Нанофотоника . 1 (1): 17–22. Бибкод : 2012Nanop...1...17S . дои : 10.1515/nanoph-2012-0009 . S2CID 10431638 .

[10] Л. Чжоу; Х. Вс; С. Ли; Дж. Чен (2011). «Миниатюрный микрокольцевой резонаторный датчик на основе гибридного плазмонного волновода» . Датчики . 11 (7): 6856–6867. Бибкод : 2011Senso..11.6856Z . дои : 10.3390/s110706856 . ПМК 3231671 . ПМИД 22163989 .

[11] С. Гош; БМА Рахман (2019). «Разработка встроенного гибридного плазмонного интерферометра Маха-Цендера для определения температуры и концентрации химических растворов» . Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 279 (7): 490–502. дои : 10.1016/j.snb.2018.09.070 . ПМК 3231671 . ПМИД 22163989 .

[12] Дж. Н. Касперс; Дж. С. Эйчисон; М. Моджахеди (2013). «Экспериментальная демонстрация интегрированного гибридного вращателя плазмонной поляризации». Оптические письма . 38 (20): 4054–4057. Бибкод : 2013OptL...38.4054C . дои : 10.1364/OL.38.004054 . ПМИД 24321921 . S2CID 26909408 .

[13] Д. Перрон; М. Ву; К. Хорват; Д. Бахман; В. Ван (2011). «Целоплазмонное переключение на основе тепловой нелинейности в полимерном плазмонном микрокольцевом резонаторе». Оптические письма . 36 (14): 2731–2733. Бибкод : 2011OptL...36.2731P . дои : 10.1364/OL.36.002731 . ПМИД 21765524 .

[14] Ф. Лу; Л. Тайлен; Л. Восински (2013). Чебен, Павел; Чтироки, Иржи; Молина-Фернандес, Иньиго (ред.). «Гибридные плазмонные микродисковые резонаторы для оптических соединений». Учеб. ШПИОН . Интегрированная оптика: физика и моделирование. 8781 : 87810X. Бибкод : 2013SPIE.8781E..0XL . дои : 10.1117/12.2017108 . S2CID 119802655 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]