Плазмонная схема - Plasmonic circuitry

Плазмоника это изучение плазмоны, квазичастицы из плазменное колебание в твердых телах, таких как металлы, полуметаллы, оксиды металлов, нитриды, легированный полупроводники и др. В настоящее время предпринимаются попытки реализовать плазмоны в электрические цепи, или в аналоге электрической цепи, чтобы объединить размерную эффективность электроники с емкостью данных фотонные интегральные схемы.[1] Плазмонику можно понимать как «границы раздела свет-металл-диэлектрик»,[2] где электроны колеблются на поверхности металла из-за сильного резонансного взаимодействия с электрическим полем падающего света. Из-за высокого рассеяние скорость электронов, омические потери в плазмонных сигналах обычно велики, что ограничивает расстояния передачи сигналов субсантиметровым диапазоном,[3] кроме гибридных оптоплазмонных световодных сетей,[4][5][6] или усиление усиления плазмонов[7] используются. Как поверхностные плазмон-поляритоны, распространяющиеся вдоль границ раздела металл-диэлектрик, так и локализованные поверхностные плазмонные моды, поддерживаемые металлическими наночастицами, характеризуются большими значениями импульса, которые обеспечивают сильное резонансное усиление локальной плотности фотонных состояний,[8] и может использоваться для усиления слабых оптических эффектов оптоэлектронных устройств.

Текущие проблемы

Одна из самых больших проблем в реализации плазмонных схем - это непрактично короткая длина распространения поверхностных плазмонов. Обычно поверхностные плазмоны преодолевают расстояния только в миллиметрах, прежде чем затухание ослабит сигнал.[9] Это в значительной степени связано с уникальным соотношением дисперсии поверхностных плазмонов, которое показывает, что по мере увеличения ограничения увеличивается резистивное затухание; таким образом, длина распространения уменьшается.[1] Исследователи пытаются уменьшить потери при распространении поверхностных плазмонов, исследуя различные материалы и их соответствующие свойства.[10] Новые перспективные плазмонные материалы с низкими потерями включают оксиды и нитриды металлов.[11] а также графен.[12] Еще один предсказуемый барьер, который плазмонным схемам придется преодолеть, - это тепло; Тепло в плазмонной цепи может превышать или не превышать тепло, выделяемое сложными электронными схемами.[9] Недавно было предложено уменьшить нагрев в плазмонных сетях, спроектировав их для поддержки захваченных оптических вихрей, которые распространяют световой поток энергии через промежутки между частицами, тем самым уменьшая поглощение и омический нагрев,[13][14][15] Помимо нагрева, также трудно изменить направление плазмонного сигнала в цепи без значительного уменьшения его амплитуды и длины распространения.[1] Одним из умных решений проблемы изменения направления распространения является использование Брэгговские зеркала для направления сигнала в определенном направлении или даже для работы в качестве разделителей сигнала.[16] Наконец, новые приложения плазмоники для управления тепловым излучением [17] и магнитная запись с подогревом [18] использовать омические потери в металлах для получения устройств с новыми расширенными функциями.

Волноводный

Оптимальные конструкции плазмонных волноводов стремятся максимизировать как удержание, так и длину распространения поверхностных плазмонов в плазмонной цепи. Поверхностные плазмонные поляритоны характеризуются сложным волновой вектор, с компонентами, параллельными и перпендикулярными границе раздела металл-диэлектрик. Мнимая часть компоненты волнового вектора обратно пропорциональна длине распространения ППП, а ее действительная часть определяет удержание ППП.[19] Дисперсионные характеристики плазмонной волны зависят от диэлектрической проницаемости материалов, из которых состоит волновод. Длина распространения и удержание волны поверхностного плазмон-поляритона обратно связаны. Следовательно, более сильное ограничение моды обычно приводит к более коротким длинам распространения. Построение практичной и пригодной для использования схемы поверхностного плазмона в значительной степени зависит от компромисса между распространением и ограничением. Максимальное увеличение длины как ограничения, так и длины распространения помогает смягчить недостатки выбора длины распространения вместо ограничения и наоборот. В поисках плазмонной схемы с сильным ограничением и достаточной длиной распространения было создано несколько типов волноводов. Некоторые из наиболее распространенных типов включают изолятор-металл-изолятор (IMI),[20] металл-изолятор-металл (МИМ),[21] диэлектрический нагруженный поверхностный плазмон-поляритон (DLSPP),[22][23] щелевой плазмон-поляритон (GPP),[24] канальный плазмон-поляритон (CPP),[25] клин поверхностный плазмон поляритон (клин),[26] и гибридные опто-плазмонные волноводы и сети.[27][28] Потери на диссипацию, сопровождающие распространение SPP в металлах, можно уменьшить за счет усиления усиления или объединения их в гибридные сети с фотонными элементами, такими как волокна и волноводы со связанными резонаторами.[27][28] Такая конструкция может привести к созданию ранее упомянутого гибридного плазмонного волновода, который демонстрирует субволновую моду в масштабе одной десятой дифракционного предела света, наряду с приемлемой длиной распространения.[29][30][31][32]

Связь

Входные и выходные порты плазмонной схемы будут принимать и отправлять оптические сигналы соответственно. Для этого необходима связь и развязка оптического сигнала с поверхностным плазмоном.[33] Дисперсионное соотношение для поверхностного плазмона полностью ниже дисперсионного соотношения для света, что означает, что для возникновения связи входной ответвитель должен обеспечивать дополнительный импульс для достижения сохранения импульса между входящим светом и волнами поверхностного плазмон-поляритона, запускаемыми в плазмонной цепи. .[1] Для этого есть несколько решений, в том числе использование диэлектрических призм, решеток или локализованных рассеивающих элементов на поверхности металла, чтобы вызвать связь путем согласования импульсов падающего света и поверхностных плазмонов.[34] После того, как поверхностный плазмон был создан и отправлен в пункт назначения, он может быть преобразован в электрический сигнал. Это может быть достигнуто с помощью фотодетектора в металлической плоскости или разделения поверхностного плазмона на свободно распространяющийся свет, который затем может быть преобразован в электрический сигнал.[1] 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 заметных областей активных устройств - это оптические, термооптические и электрооптические. Полностью оптические устройства продемонстрировали способность стать жизнеспособным источником для обработки информации, обмена данными и хранения данных при использовании в качестве модулятора. В одном случае было продемонстрировано взаимодействие двух световых пучков с разными длинами волн путем их преобразования в совместно распространяющиеся поверхностные плазмоны через селенид кадмия квантовые точки.[35] Электрооптические устройства объединяют аспекты как оптических, так и электрических устройств в форме модулятора. В частности, были разработаны электрооптические модуляторы с использованием быстро связанных резонансных металлических решеток и нанопроволок, которые основаны на дальнодействующих поверхностных плазмонах (LRSP).[36] Точно так же 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 с направленным ответвителем. Было показано, что в некоторых термооптических устройствах используется волновод LRSP вдоль золотых полос, которые заделаны в полимер и нагреваются электрическими сигналами в качестве средства для модуляции и переключателей направленных ответвителей.[37] Еще одна потенциальная область заключается в использовании спазеры в таких областях, как наноразмерная литография, зондирование и микроскопия.[38]

Пассивные устройства

Хотя активные компоненты играют важную роль в использовании плазмонных схем, пассивные схемы столь же целостны и, что удивительно, нетривиально в изготовлении. Многие пассивные элементы, такие как призмы, линзы, и светоделители могут быть реализованы в плазмонной схеме, однако изготовление в наномасштабе оказалось трудным и имеет неблагоприятные последствия. Значительные потери могут возникнуть из-за развязки в ситуациях, когда используется преломляющий элемент с другим показателем преломления. Однако были предприняты некоторые шаги, чтобы минимизировать потери и максимизировать компактность фотонных компонентов. Один из таких шагов основан на использовании Отражатели Брэгга, или зеркала, состоящие из последовательности плоскостей для управления пучком поверхностных плазмонов. При оптимизации отражатели Брэгга могут отражать почти 100% входящей мощности.[1] Другой метод, используемый для создания компактных фотонных компонентов, основан на волноводах CPP, поскольку они показали сильное ограничение с приемлемыми потерями менее 3 дБ в пределах длин волн связи.[39] Максимальные потери и компактность в отношении использования пассивных устройств, а также активных устройств создают больший потенциал для использования плазмонных схем.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж T. W. Ebbesen, C. Genet, S. I. Bozhevolnyi, "Схема поверхностных плазмонов", Am. Inst. физ., 44 - 50, (2008)
  2. ^ Майер С.А. Плазмоника, основы и приложения (Спрингер, Нью-Йорк, 2007).
  3. ^ Барнс, Уильям Л. (21 марта 2006 г.). «Поверхностные масштабы длин плазмон-поляритонов: путь к субволновой оптике». Журнал оптики A: Чистая и прикладная оптика. IOP Publishing. 8 (4): S87 – S93. Дои:10.1088 / 1464-4258 / 8/4 / s06. ISSN  1464-4258.
  4. ^ Борискина, С. В .; Рейнхард, Б. М. (07.02.2011). "Спектрально и пространственно конфигурируемые суперлинзы для оптоплазмонных наноцепей". Труды Национальной академии наук. Труды Национальной академии наук США. 108 (8): 3147–3151. Дои:10.1073 / pnas.1016181108. ISSN  0027-8424.
  5. ^ Ан, Вонми; Хун, Ян; Борискина, Светлана В .; Рейнхард, Бьорн М. (25 апреля 2013 г.). «Демонстрация эффективного переноса фотона на кристалле в самоорганизующихся оптоплазмонных сетях». САУ Нано. Американское химическое общество (ACS). 7 (5): 4470–4478. Дои:10.1021 / nn401062b. ISSN  1936-0851.
  6. ^ Сантьяго-Кордова, Мигель А .; Борискина, Светлана В .; Фоллмер, Франк; Демирель, Мелик С. (15.08.2011). «Детектирование белков на основе наночастиц по оптическому смещению резонансной микрополости». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 99 (7): 073701. arXiv:1108.2337. Дои:10.1063/1.3599706. ISSN  0003-6951.
  7. ^ Грандидье, Джонатан; де Франс, Жерар Кола; Массено, Себастьен; Буэлье, Александр; Марки, Лоран; Вебер, Жан-Клод; Финот, Кристоф; Дере, Ален (12 августа 2009 г.). "Распространение с усилением в плазмонном волноводе на длине волны электросвязи". Нано буквы. Американское химическое общество (ACS). 9 (8): 2935–2939. Дои:10.1021 / nl901314u. ISSN  1530-6984.
  8. ^ С.В. Борискина, Х. Гасеми, Г. Чен, Материалы сегодня, т. 16. С. 379-390, 2013.
  9. ^ а б Бронгерсма, Марк. "Будут ли плазмонные схемы волне будущего?" Стэнфордская инженерная школа. N.p., n.d. Интернет. 26 ноя 2014. <http://engineering.stanford.edu/research-profile/mark-brongersma-mse >.
  10. ^ Озбай, Э. (13 января 2006 г.). «Плазмоника: слияние фотоники и электроники в наномасштабах». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 311 (5758): 189–193. Дои:10.1126 / science.1114849. HDL:11693/38263. ISSN  0036-8075.
  11. ^ Naik, Gururaj V .; Ким, Чонбум; Болтасева, Александра (06.09.2011). «Оксиды и нитриды как альтернативные плазмонные материалы в оптическом диапазоне [Приглашено]». Оптические материалы Экспресс. Оптическое общество. 1 (6): 1090-1099. Дои:10.1364 / ом.1.001090. ISSN  2159-3930.
  12. ^ Вакиль, А .; Энгета, Н. (09.06.2011). «Трансформационная оптика с использованием графена». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 332 (6035): 1291–1294. Дои:10.1126 / science.1202691. ISSN  0036-8075.
  13. ^ Борискина, Светлана В .; Рейнхард, Бьорн М. (2012). «Формование потока света на наномасштабе: от вихревых наночастиц до фазоуправляемых плазмонных машин». Наномасштаб. Королевское химическое общество (RSC). 4 (1): 76–90. Дои:10.1039 / c1nr11406a. ISSN  2040-3364. ЧВК  3339274.
  14. ^ Ан, Вонми; Борискина, Светлана В .; Хун, Ян; Рейнхард, Бьорн М. (21 декабря 2011 г.). «Усиление электромагнитного поля и формирование спектра с помощью плазмонно-интегрированных оптических вихрей». Нано буквы. Американское химическое общество (ACS). 12 (1): 219–227. Дои:10.1021 / nl203365y. ISSN  1530-6984. ЧВК  3383062.
  15. ^ С.В. Борискина "Плазмоника с изюминкой: укрощение оптических торнадо на наномасштабе", глава 12 в: Плазмоника: теория и приложения (Ред. Т.В. Шахбазян и М.И. Стокман) Springer 2013
  16. ^ Веронис, Георгиос; Фань, Шанхой (26 сентября 2005 г.). «Изгибы и делители в субволновых плазмонных волноводах металл-диэлектрик-металл». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 87 (13): 131102. Дои:10.1063/1.2056594. ISSN  0003-6951.
  17. ^ Борискина, Светлана; Тонг, Джонатан; Хуанг, Йи; Чжоу, Цзявэй; Чилоян, Вазрик; Чен, Банда (18.06.2015). «Повышение и настраиваемость радиационной теплопередачи в ближнем поле за счет поверхностных плазмонных поляритонов в тонких плазмонных пленках». Фотоника. MDPI AG. 2 (2): 659–683. Дои:10.3390 / фотоника2020659. ISSN  2304-6732.
  18. ^ Challener, W. A .; Пэн, Чубинг; Итаги, А. В .; Karns, D .; Пэн, Вэй; и другие. (2009-03-22). «Магнитная запись с подогревом с помощью датчика ближнего поля с эффективной передачей оптической энергии». Природа Фотоника. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 3 (4): 220–224. Дои:10.1038 / nphoton.2009.26. ISSN  1749-4885.
  19. ^ Sorger, Volker J .; Oulton, Rupert F .; Ма, Рен-Мин; Чжан, Сян (2012). «К интегральным плазмонным схемам». Бюллетень MRS. Издательство Кембриджского университета (CUP). 37 (8): 728–738. Дои:10.1557 / mrs.2012.170. ISSN  0883-7694.
  20. ^ Верхаген, Эволд; Спасенович, Марко; Полман, Альберт; Койперс, Л. (Кобус) (19 мая 2009 г.). "Возбуждение плазмона нанопроволоки за счет адиабатического преобразования моды". Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 102 (20): 203904. Дои:10.1103 / Physrevlett.102.203904. ISSN  0031-9007.
  21. ^ Dionne, J. A .; Lezec, H.J .; Этуотер, Гарри А. (2006). "Сильно ограниченный перенос фотонов в субволновых металлических щелевых волноводах". Нано буквы. Американское химическое общество (ACS). 6 (9): 1928–1932. Дои:10.1021 / nl0610477. ISSN  1530-6984.
  22. ^ Steinberger, B .; Hohenau, A .; Ditlbacher, H .; Степанов, А.Л .; Drezet, A .; Aussenegg, F. R .; Leitner, A .; Кренн, Дж. Р. (27 февраля 2006 г.). «Диэлектрические полосы на золоте как поверхностные плазмонные волноводы». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 88 (9): 094104. Дои:10.1063/1.2180448. ISSN  0003-6951.
  23. ^ Красавин, Алексей В .; Заяц, Анатолий В. (19.05.2010). «Плазмонные волноводы на основе кремния». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 18 (11): 11791. Дои:10.1364 / oe.18.011791. ISSN  1094-4087.
  24. ^ Jung, K.-Y .; Teixeira, F.L .; Реано, Р. (2009). «Копланарные поверхностные плазмонные волноводы: модовые характеристики и потери на преобразование мод». Письма IEEE Photonics Technology. Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 21 (10): 630–632. Дои:10.1109 / lpt.2009.2015578. ISSN  1041-1135.
  25. ^ Божевольный, Сергей И .; Волков, Валентин С .; Дево, Элоиза; Лалуэ, Жан-Ив; Эббесен, Томас В. (2006). «Канальные плазмонные компоненты субволнового волновода, включая интерферометры и кольцевые резонаторы». Природа. Springer Nature. 440 (7083): 508–511. Дои:10.1038 / природа04594. ISSN  0028-0836.
  26. ^ Pile, D. F. P .; Ogawa, T .; Грамотнев, Д. К .; Окамото, Т .; Haraguchi, M .; Фукуи, М .; Мацуо, С. (2005-08-08). «Теоретическое и экспериментальное исследование сильно локализованных плазмонов на треугольных металлических клиньях для субволнового волновода». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 87 (6): 061106. Дои:10.1063/1.1991990. ISSN  0003-6951.
  27. ^ а б Борискина, С. В .; Рейнхард, Б. М. (07.02.2011). "Спектрально и пространственно конфигурируемые суперлинзы для оптоплазмонных наноцепей". Труды Национальной академии наук. Труды Национальной академии наук. 108 (8): 3147–3151. Дои:10.1073 / pnas.1016181108. ISSN  0027-8424.
  28. ^ а б Ан, Вонми; Хун, Ян; Борискина, Светлана В .; Райнхард, Бьорн М. (25 апреля 2013 г.). «Демонстрация эффективного переноса фотона на кристалле в самоорганизующихся оптоплазмонных сетях». САУ Нано. Американское химическое общество (ACS). 7 (5): 4470–4478. Дои:10.1021 / nn401062b. ISSN  1936-0851.
  29. ^ М. З. Алам, Дж. Мейер, Дж. С. Эйчисон и М. Моджахеди, "Распространение сверхмод в среде с низким индексом", идентификатор статьи: JThD112, CLEO / QELS 2007.
  30. ^ Sorger, Volker J .; Е, Зилян; Oulton, Rupert F .; Ван, Юань; Бартал, Гай; Инь, Сяобо; Чжан, Сян (2011-05-31). «Экспериментальная демонстрация оптического волновода с низкими потерями на глубоких субволновых масштабах». Nature Communications. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 2 (1): 331. Дои:10.1038 / ncomms1315. ISSN  2041-1723.
  31. ^ Oulton, R.F .; Sorger, V. J .; Генов, Д. А .; Pile, D. F. P .; Чжан, X. (11.07.2008). «Гибридный плазмонный волновод для удержания субволнов и распространения на большие расстояния». Природа Фотоника. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 2 (8): 496–500. Дои:10.1038 / nphoton.2008.131. ISSN  1749-4885.
  32. ^ Алам, Мухаммад З .; Эйчисон, Дж. Стюарт; Моджахеди, штат Миссури (19 февраля 2014 г.). «Брак удобства: гибридизация поверхностных плазмонных и диэлектрических волноводных мод». Обзоры лазеров и фотоники. Вайли. 8 (3): 394–408. Дои:10.1002 / lpor.201300168. ISSN  1863-8880.
  33. ^ Krenn, J. R .; Weeber, J.-C. (2004-04-15). Ричардс, Дэвид; Заяц, Анатолий (ред.). «Поверхностные плазмонные поляритоны в металлических полосках и проволоках». Философские труды Лондонского королевского общества. Серия A: математические, физические и инженерные науки. Королевское общество. 362 (1817): 739–756. Дои:10.1098 / rsta.2003.1344. ISSN  1364-503X.
  34. ^ González, M.U .; Weeber, J.-C .; Baudrion, A.-L .; Dereux, A .; Степанов, А.Л .; Krenn, J. R .; Devaux, E .; Эббесен, Т. В. (13 апреля 2006 г.). «Проектирование, характеристика ближнего поля и моделирование 45 ° поверхностных плазмонных зеркал Брэгга». Физический обзор B. Американское физическое общество (APS). 73 (15): 155416. Дои:10.1103 / Physrevb.73.155416. ISSN  1098-0121.
  35. ^ Пасифици, Доменико; Lezec, Henri J .; Этуотер, Гарри А. (2007). «Полностью оптическая модуляция плазмонным возбуждением квантовых точек CdSe». Природа Фотоника. Springer Nature. 1 (7): 402–406. Дои:10.1038 / nphoton.2007.95. ISSN  1749-4885.
  36. ^ Ву, Чжи; Нельсон, Роберт Л .; Haus, Joseph W .; Чжан, Цивэнь (2008-03-05). «Конструкция плазмонного электрооптического модулятора с использованием резонансной металлической решетки». Письма об оптике. Оптическое общество. 33 (6): 551. Дои:10.1364 / ol.33.000551. ISSN  0146-9592.
  37. ^ Николайсен, Томас; Леоссон, Кристьян; Божевольный, Сергей Иванович (2004-12-13). «Модуляторы и переключатели на основе поверхностных плазмон-поляритонов, работающие в телекоммуникационных длинах волн». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 85 (24): 5833–5835. Дои:10.1063/1.1835997. ISSN  0003-6951.
  38. ^ Штокман, Марк I. (2008). «Спасеры объяснили». Природа Фотоника. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 2 (6): 327–329. Дои:10.1038 / nphoton.2008.85. ISSN  1749-4885.
  39. ^ Волков, Валентин С .; Божевольный, Сергей И .; Дево, Элоиза; Эббесен, Томас В. (2006). «Компактные плавные изгибы для канальных плазмон-поляритонов». Оптика Экспресс. Оптическое общество. 14 (10): 4494. Дои:10.1364 / oe.14.004494. ISSN  1094-4087.