Hybrydowy falowód plazmoniczny

Hybrydowy falowód plazmonowy to falowód optyczny , który osiąga silne uwięzienie światła poprzez sprzężenie światła prowadzonego przez falowód dielektryczny i falowód plazmonowy . Powstaje przez oddzielenie ośrodka o wysokim współczynniku załamania światła (zwykle krzemu ) od powierzchni metalu (zwykle złota lub srebra ) przez niewielką szczelinę.

Przekrój hybrydowego falowodu plazmonicznego. Moc rozchodzi się w kierunku z.

Historia

Falowody dielektryczne wykorzystują całkowite wewnętrzne odbicie , aby ograniczyć światło w obszarze o wysokim współczynniku. Mogą przewodzić światło na duże odległości z bardzo małymi stratami, ale ich zdolność do zatrzymywania światła jest ograniczona przez dyfrakcję. Z drugiej strony falowody plazmonowe wykorzystują plazmon powierzchniowy ograniczyć światło w pobliżu metalowej powierzchni. Zdolność falowodów plazmonowych do zatrzymywania światła nie jest ograniczona przez dyfrakcję, w wyniku czego mogą one ograniczać światło do bardzo małych objętości. Jednak prowadnice te wykazują znaczną utratę propagacji z powodu obecności metalu jako części struktury prowadzącej. Celem zaprojektowania hybrydowego falowodu plazmonicznego było połączenie tych dwóch różnych schematów prowadzenia fal i osiągnięcie wysokiego ograniczenia światła bez ponoszenia dużych strat. Zaproponowano wiele różnych odmian tej struktury. Od tego czasu zaproponowano wiele innych typów hybrydowych falowodów plazmonicznych, aby poprawić zdolność zatrzymywania światła lub zmniejszyć złożoność produkcji.

Gęstość mocy kierowanej w hybrydowym falowodzie plazmonicznym. Światło rozchodzi się w kierunku z

Zasada działania

Działanie hybrydowych falowodów plazmonicznych można wyjaśnić za pomocą koncepcji sprzężenia modów . Najczęściej używany hybrydowy falowód plazmoniczny składa się z krzemowego nanoprzewodu umieszczonego bardzo blisko metalowej powierzchni i oddzielonego obszarem o niskim współczynniku. Falowód krzemowy obsługuje tryb falowodu dielektrycznego, który jest w większości ograniczony do krzemu. Metalowa powierzchnia wspiera plazmon powierzchniowy , który jest ograniczony w pobliżu metalowej powierzchni. Kiedy te dwie struktury zostaną zbliżone do siebie, mod falowodu dielektrycznego wspierany przez nanodrut krzemowy łączy się z trybem plazmonu powierzchniowego wspieranym przez powierzchnię metalu. W wyniku tego sprzężenia modowego światło staje się silnie ograniczone w obszarze między metalem a obszarem o wysokim współczynniku (nanodrut krzemowy).

Aplikacje

Hybrydowy falowód plazmoniczny zapewnia duże ograniczenie światła przy niższych stratach w porównaniu z wieloma wcześniej opisanymi falowodami plazmonicznymi. Jest również kompatybilny z technologią krzemowej fotoniki i może być zintegrowany z krzemowymi falowodami na tym samym chipie. Podobnie jak falowód szczelinowy , może również ograniczać światło w ośrodku o niskim indeksie. Połączenie tych atrakcyjnych cech pobudziło światową aktywność badawczą nad zastosowaniem tego nowego schematu przewodniego. Godnymi uwagi przykładami takich zastosowań są kompaktowe lasery, modulatory elektrooptyczne, bioczujniki, urządzenia do kontroli polaryzacji i przełączniki termooptyczne.

^ DK Gramotnev i SI Bozhevolnyi (2010). „Plazmonika poza granicą dyfrakcji”. Fotonika przyrody . 4 (2): 83–91. Bibcode : 2010NaPho...4...83G . doi : 10.1038/nphoton.2009.282 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ WL Barnes (2006). „Skale długości plazmonu powierzchniowego i polarytonu: droga do optyki o mniejszej długości fali”. Journal of Optics A: Czysta i stosowana optyka . 8 (4): S87. Bibcode : 2006JOptA...8S..87B . doi : 10.1088/1464-4258/8/4/S06 .
^ MZ Alam, J. Meier, JS Aitchison i M. Mojahedi (2007). Propagacja trybu super w medium o niskim indeksie . Konferencja na temat laserów i elektrooptyki (CLEO). {{ cite Conference }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )
^ RF Oulton, VJ Sorger, DA Genov, DFP Pile i X. Zhang (2008). „Hybrydowy falowód plazmoniczny do ograniczania długości fali podfalowej i propagacji dalekiego zasięgu”. Fotonika przyrody . 2 (8): 496–500. Bibcode : 2008NaPho...2.....O . doi : 10.1038/nphoton.2008.131 . hdl : 10044/1/19117 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ D. Dai i S. On (2009). „Hybrydowy falowód plazmoniczny na bazie krzemu z metalową nasadką do ograniczania światła w nanoskali” . Optować. Ekspres . 17 (19): 16646–16653. Bibcode : 2009OExpr..1716646D . doi : 10.1364/OE.17.016646 . PMID 19770880 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ Y. Bian, Z. Zheng, X. Zhao, L. Liu, Y. Su, J. Liu, J. Zhu i T. Zhou (2013). „Prowadzenie światła w nanoskali w hybrydowym falowodzie plazmonicznym na bazie krzemu, który zawiera odwrócony metalowy grzbiet”. fizyka Status Solidi A . 210 (7): 1424-1428. Bibcode : 2013PSSAR.210.1424B . doi : 10.1002/pssa.201228682 . S2CID 115148678 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ MZ Alam, JS Aitchison i M. Mojahedi (2014). „Małżeństwo z wygody: hybrydyzacja trybów falowodu plazmonicznego i dielektrycznego”. Recenzje laserów i fotoniki . 8 (3): 394–408. Bibcode : 2014LPRv....8..394A . doi : 10.1002/lpor.201300168 . S2CID 54036931 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ RF Oulton, VJ Sorger, T. Zentgraf, RM. Ma, C. Gladden, L. Dai, G. Bartal i X. Zhang (2009). „Lasery plazmonowe w głębokiej skali podfalowej” (PDF) . Natura . 461 (7264): 629–632. Bibcode : 2009Natur.461..629O . doi : 10.1038/natura08364 . hdl : 10044/1/19116 . PMID 19718019 . S2CID 912028 . {{ cytuj czasopismo }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ VJ Sorger, ND L-Kimura, RM. Ma i X. Zhang (2012). „Ultrakompaktowy krzemowy modulator nanofotoniczny z odpowiedzią szerokopasmową” . Nanofotonika . 1 (1): 17–22. Bibcode : 2012Nanop...1...17S . doi : 10.1515/nanoph-2012-0009 . S2CID 10431638 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ L. Zhou, X. Słońce, X. Li, J. Chen (2011). „Miniaturowy czujnik rezonatora mikropierścieniowego oparty na hybrydowym falowodzie plazmonicznym” . Czujniki . 11 (7): 6856–6867. Bibcode : 2011Senso..11.6856Z . doi : 10.3390/s110706856 . PMC 3231671 . PMID 22163989 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ S. Ghosh i BMA Rahman (2019). „Projekt on-chip hybrydowego plazmonicznego interferometru Macha-Zehndera do wykrywania temperatury i stężenia roztworu chemicznego” . Czujniki i elementy wykonawcze B: Chemiczne . 279 (7): 490–502. doi : 10.1016/j.snb.2018.09.070 . PMC 3231671 . PMID 22163989 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ JN Caspers, JS Aitchison i M. Mojahedi (2013). „Eksperymentalna demonstracja zintegrowanego hybrydowego plazmonicznego rotatora polaryzacji”. Listy optyki . 38 (20): 4054–4057. Bibcode : 2013OptL...38.4054C . doi : 10.1364/OL.38.004054 . PMID 24321921 . S2CID 26909408 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ D. Perron, M. Wu, C. Horvath, D. Bachman i V. Van (2011). „Całkowicie plazmoniczne przełączanie oparte na nieliniowości termicznej w polimerowym rezonatorze plazmonicznym z mikropierścieniami”. Listy optyki . 36 (14): 2731–2733. Bibcode : 2011OptL...36.2731P . doi : 10.1364/OL.36.002731 . PMID 21765524 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )
^ F. Lou, L. Thylen, L. Wosiński (2013). Cheben, Paweł; Čtyroký, Jiří; Molina-Fernandez, Iñigo (red.). „Hybrydowe rezonatory mikrodysków plazmonicznych do zastosowań optycznych”. proc. SZPIEC . Zintegrowana optyka: fizyka i symulacje . 8781 : 87810X. Bibcode : 2013SPIE.8781E..0XL . doi : 10.1117/12.2017108 . S2CID 119802655 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[1] DK Gramotnev i SI Bozhevolnyi (2010). „Plazmonika poza granicą dyfrakcji”. Fotonika przyrody . 4 (2): 83–91. Bibcode : 2010NaPho...4...83G . doi : 10.1038/nphoton.2009.282 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[2] WL Barnes (2006). „Skale długości plazmonu powierzchniowego i polarytonu: droga do optyki o mniejszej długości fali”. Journal of Optics A: Czysta i stosowana optyka . 8 (4): S87. Bibcode : 2006JOptA...8S..87B . doi : 10.1088/1464-4258/8/4/S06 .

[3] MZ Alam, J. Meier, JS Aitchison i M. Mojahedi (2007). Propagacja trybu super w medium o niskim indeksie . Konferencja na temat laserów i elektrooptyki (CLEO). {{ cite Conference }} : CS1 maint: wiele nazwisk: lista autorów ( link )

[4] RF Oulton, VJ Sorger, DA Genov, DFP Pile i X. Zhang (2008). „Hybrydowy falowód plazmoniczny do ograniczania długości fali podfalowej i propagacji dalekiego zasięgu”. Fotonika przyrody . 2 (8): 496–500. Bibcode : 2008NaPho...2.....O . doi : 10.1038/nphoton.2008.131 . hdl : 10044/1/19117 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[5] D. Dai i S. On (2009). „Hybrydowy falowód plazmoniczny na bazie krzemu z metalową nasadką do ograniczania światła w nanoskali” . Optować. Ekspres . 17 (19): 16646–16653. Bibcode : 2009OExpr..1716646D . doi : 10.1364/OE.17.016646 . PMID 19770880 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[6] Y. Bian, Z. Zheng, X. Zhao, L. Liu, Y. Su, J. Liu, J. Zhu i T. Zhou (2013). „Prowadzenie światła w nanoskali w hybrydowym falowodzie plazmonicznym na bazie krzemu, który zawiera odwrócony metalowy grzbiet”. fizyka Status Solidi A . 210 (7): 1424-1428. Bibcode : 2013PSSAR.210.1424B . doi : 10.1002/pssa.201228682 . S2CID 115148678 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[7] MZ Alam, JS Aitchison i M. Mojahedi (2014). „Małżeństwo z wygody: hybrydyzacja trybów falowodu plazmonicznego i dielektrycznego”. Recenzje laserów i fotoniki . 8 (3): 394–408. Bibcode : 2014LPRv....8..394A . doi : 10.1002/lpor.201300168 . S2CID 54036931 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[8] RF Oulton, VJ Sorger, T. Zentgraf, RM. Ma, C. Gladden, L. Dai, G. Bartal i X. Zhang (2009). „Lasery plazmonowe w głębokiej skali podfalowej” (PDF) . Natura . 461 (7264): 629–632. Bibcode : 2009Natur.461..629O . doi : 10.1038/natura08364 . hdl : 10044/1/19116 . PMID 19718019 . S2CID 912028 . {{ cytuj czasopismo }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[9] VJ Sorger, ND L-Kimura, RM. Ma i X. Zhang (2012). „Ultrakompaktowy krzemowy modulator nanofotoniczny z odpowiedzią szerokopasmową” . Nanofotonika . 1 (1): 17–22. Bibcode : 2012Nanop...1...17S . doi : 10.1515/nanoph-2012-0009 . S2CID 10431638 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[10] L. Zhou, X. Słońce, X. Li, J. Chen (2011). „Miniaturowy czujnik rezonatora mikropierścieniowego oparty na hybrydowym falowodzie plazmonicznym” . Czujniki . 11 (7): 6856–6867. Bibcode : 2011Senso..11.6856Z . doi : 10.3390/s110706856 . PMC 3231671 . PMID 22163989 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[11] S. Ghosh i BMA Rahman (2019). „Projekt on-chip hybrydowego plazmonicznego interferometru Macha-Zehndera do wykrywania temperatury i stężenia roztworu chemicznego” . Czujniki i elementy wykonawcze B: Chemiczne . 279 (7): 490–502. doi : 10.1016/j.snb.2018.09.070 . PMC 3231671 . PMID 22163989 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[12] JN Caspers, JS Aitchison i M. Mojahedi (2013). „Eksperymentalna demonstracja zintegrowanego hybrydowego plazmonicznego rotatora polaryzacji”. Listy optyki . 38 (20): 4054–4057. Bibcode : 2013OptL...38.4054C . doi : 10.1364/OL.38.004054 . PMID 24321921 . S2CID 26909408 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[13] D. Perron, M. Wu, C. Horvath, D. Bachman i V. Van (2011). „Całkowicie plazmoniczne przełączanie oparte na nieliniowości termicznej w polimerowym rezonatorze plazmonicznym z mikropierścieniami”. Listy optyki . 36 (14): 2731–2733. Bibcode : 2011OptL...36.2731P . doi : 10.1364/OL.36.002731 . PMID 21765524 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )

[14] F. Lou, L. Thylen, L. Wosiński (2013). Cheben, Paweł; Čtyroký, Jiří; Molina-Fernandez, Iñigo (red.). „Hybrydowe rezonatory mikrodysków plazmonicznych do zastosowań optycznych”. proc. SZPIEC . Zintegrowana optyka: fizyka i symulacje . 8781 : 87810X. Bibcode : 2013SPIE.8781E..0XL . doi : 10.1117/12.2017108 . S2CID 119802655 . {{ cite journal }} : CS1 maint: używa parametru autorów ( link )