Википедия

Плазмоника

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 2 мая 2021 года; проверки требуют 6 правок.

Плазмоника или наноплазмоника [1] относится к генерации, обнаружению и обработке сигналов на оптических частотах вдоль границ раздела металл-диэлектрик в нанометровом диапазоне.[2] Так же как и фотоника, плазмоника следует тенденции миниатюризации оптических устройств (см. нанофотоника ) и находит применение в зондировании, микроскопии, оптической связи и биофотонике.[3]

Конструкция плазмонного волновода для облегчения отрицательного преломления в видимом спектре.

Принципы

править

Плазмоника обычно использует так называемые поверхностные плазмонные поляритоны (SPP) [2], которые представляют собой когерентные электронные колебания, распространяющиеся вместе с электромагнитной волной вдоль границы раздела между диэлектриком и металлом. Условия возникновения SPP в значительной степени зависят от свойств проводящей среды. В частности, так как электронный газ в металле колеблется вместе с электромагнитной волной, а движущиеся электроны рассеиваются, то возникают омические потери в плазмонных сигналах, что ограничивает расстояние их передачи[4]. Это не относится к гибридным оптоплазмонным световодам [5][6][7] или плазмонным сетям с применением усиления [8]. Помимо SPP, существуют локализованные поверхностные плазмонные моды, поддерживаемые металлическими наночастицами. Оба эффекта характеризуются большими значениями импульса, которые допускают сильное резонансное увеличение локальной плотности фотонных состояний [9] и могут использоваться для усиления слабых оптических эффектов оптоэлектронных устройств.

Мотивация и текущие проблемы

править

В настоящее время предпринимаются попытки интегрировать плазмонику или в электрические схемы, или в аналог электрических схем, в целях объединения компактности электроники с ёмкостью данных фотонных интегральных схем (PIC).[10] В то время как ширина затвора узлов CMOS, используемых для электрических схем, постоянно уменьшается, размер обычных PIC ограничен дифракцией, что создаёт барьер для их дальнейшей интеграции. В принципе плазмоника может преодолеть это несоответствие размеров электронных и фотонных компонентов. В то же время фотоника и плазмоника могут дополнять друг друга, поскольку при определённых условиях оптические сигналы могут быть преобразованы в SPP и наоборот.

Одна из самых больших проблем в реализации плазмонных схем — это малое расстояние распространения поверхностных плазмонов. Обычно поверхностные плазмоны проходят расстояние только в несколько миллиметров, прежде чем произойдёт затухание сигнала.[11] Во многом это связано с омическими потерями, значение которых возрастает по мере того, как электрическое поле проникает в металл. Исследователи пытаются уменьшить потери при распространении поверхностных плазмонов, применяя различные материалы, геометрию, частоту и варьируя свойства проводящей среды.[12] Новые перспективные плазмонные материалы с низкими потерями включают оксиды и нитриды металлов [13], а также графен.[14] При разработках важное значение имеет снижение потерь за счёт уменьшения шероховатости поверхности.

Ещё один барьер, который плазмонным схемам необходимо преодолеть — тепловыделение в плазмонной цепи, которое может превышать или не превышать тепловыделение в сложных электронных цепях.[11] Недавно было предложено снижение нагрева в плазмонных сетях путём использования захваченных оптических вихрей, которые распространяют световой поток через промежутки между частицами, уменьшая таким образом поглощение и омический нагрев.[15][16][17] Также проблемно изменять направление плазмонного сигнала в цепи без значительного уменьшения его амплитуды и пути распространения.[10] Одним из перспективных решений проблемы изменения направления распространения плазмонного сигнала является применение брэгговских зеркал, причём не только для изменения направления, но и в качестве разделителей сигнала.[18]

В дополнение к вышесказанному, новые приложения плазмоники в целях управления термоэмиссией [19] и магнитной записью с подогревом [20] позволяют использовать омические потери в металлах для получения устройств с новыми расширенными функциональными возможностями.

Плазмонные волноводы

править
 
Распределение поля на гибридном плазмонном волноводе

Оптимизация конструкции плазмонных волноводов нацелена на увеличение как удержания, так и расстояния распространения поверхностных плазмонов в плазмонной цепи. Поверхностные плазмонные поляритоны описываются сложным волновым вектором с компонентами, параллельными и перпендикулярными границе раздела металл-диэлектрик. Мнимая часть составляющей волнового вектора обратно пропорциональна длине распространения SPP, а её действительная часть определяет удержание SPP.[21] Дисперсионные характеристики плазмонной волны зависят от диэлектрической проницаемости материалов, из которых состоит волновод. Длина пути распространения и удержание волны поверхностного плазмон-поляритона связаны обратной зависимостью. Таким образом, более сильное ограничение моды обычно приводит к более коротким путям распространения. Построение технологичной и пригодной для использования схемы поверхностного плазмона в значительной степени зависит от компромисса между распространением и ограничением. Таким образом требуется искать компромисс между степенью ограничения моды и максимизацией расстояния распространения плазмон-поляритонов. В поисках плазмонной схемы с сильным ограничением и достаточным путём распространения были созданы несколько типов волноводов. Некоторые из наиболее распространённых типов включают:

  • изолятор-металл-изолятор (IMI),[22]
  • металл-изолятор-металл (MIM),[23]
  • диэлектрический нагруженный поверхностный плазмон-поляритон (DLSPP),[24][25]
  • щелевой плазмон-поляритон ( GPP),[26]
  • канальный плазмон-поляритон (CPP),[27]
  • клин поверхностный плазмон-поляритон (клин),[28]
  • гибридные оптоплазмонные волноводы и сети.[6][29]

Потери на диссипацию, сопровождающие распространение SPP в металлах, можно уменьшить за счёт усиления или объединения в гибридные сети с фотонными элементами, такими как оптоволокна и волноводы со связанными резонаторами. Такая конструкция может привести к созданию гибридного плазмонного волновода, который демонстрирует субволновую моду в масштабе одной десятой дифракционного предела света наряду с приемлемым путём распространения.[30][31][32][33]

Связь

править

Входные и выходные порты плазмонной схемы должны принимать и отправлять оптические сигналы соответственно. Для этого необходима связь и развязка оптического сигнала с поверхностным плазмоном.[34] Дисперсионное соотношение для поверхностного плазмона намного меньше дисперсионного соотношения для света, что означает, что для возникновения связи входной ответвитель должен обеспечивать усиление импульса от входящего света к волнам поверхностных плазмон-поляритонов, запускаемых в плазмонной цепи.[10] Реализация этого требования существует в нескольких вариантах, в том числе: использование диэлектрических призм, решёток или локализованных рассеивающих элементов на поверхности металла, обеспечивающих связь путём согласования импульсов падающего света и поверхностных плазмонов.[35] После того, как поверхностный плазмон был создан и отправлен в пункт назначения, он может быть преобразован в электрический сигнал. Это может быть реализовано с помощью фотодетектора в металлической плоскости или разделения поверхностного плазмона на свободно распространяющийся свет, который затем может быть преобразован в электрический сигнал. В качестве альтернативы сигнал может быть выведен в оптическое волокно или волновод.

Активные устройства

править

Прогресс, достигнутый в области поверхностных плазмонов за последние 50 лет, привёл к разработке различных типов устройств, как активных, так и пассивных. Некоторые из наиболее перспективных активных устройств — оптические, термооптические и электрооптические. Полностью оптические устройства продемонстрировали возможность их применения для обработки информации, обмена данными и хранения данных при использовании в качестве модулятора. В одном из опытов было продемонстрировано взаимодействие двух световых пучков с разными длинами волн при их преобразовании в совместно распространяющиеся поверхностные плазмоны через квантовые точки селенида кадмия.[36]

Электрооптические устройства объединяют свойства как оптических, так и электрических устройств в виде модулятора. В частности, были разработаны электрооптические модуляторы с использованием быстродействующих связанных резонансных металлических решёток и нанопроволок, которые основаны на дальнодействующих поверхностных плазмонах (LRSP).[37]

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 некоторые термооптические устройства могут использовать волновод LRSP, существующий вдоль золотых полос, которые заделаны в полимер и нагреваются электрическими сигналами, в качестве модулятора и переключателя направленных ответвителей.[38]

Ещё одна перспективная область — использование спазеров в наноразмерной литографии, зондировании и микроскопии.[39]

Пассивные устройства

править

Наряду с активными компонентами в использовании плазмонных схем, пассивные схемы также могут быть интегрированы с электрическими схемами, однако это представляет собой сложную технологическую задачу. Многие пассивные элементы, такие как призмы, линзы и светоделители, могут быть реализованы в плазмонной схеме, однако их изготовление в наномасштабе оказалось сложной задачей, к тому же имеющей нежелательные последствия. Значительные потери могут возникнуть при развязке, когда используется преломляющий элемент с другим показателем преломления. Были предприняты определённые меры для минимизации потерь при максимизации компактности фотонных компонентов. Один из способов решения проблемы основан на использовании брэгговских отражателей или зеркал, состоящих из последовательности плоскостей, для управления пучком поверхностных плазмонов. Оптимизированные отражатели Брэгга могут отражать почти 100% приходящей мощности.[10] Другой метод, используемый для создания компактных фотонных компонентов, основан на волноводах CPP, поскольку они показали сильное ограничение моды с приемлемыми потерями менее 3 дБ в условиях волнового ограничения для электросхем.[40] Снижение потерь и максимизация компактности пассивных и активных устройств могут создать потенциал для использования плазмонных схем в перспективе.

Ссылки

править
  • А. Пятаков. Плазмоника как прикладная наука. Информационный бюллетень "Перспективные Технологии" (2008). Дата обращения: 18 апреля 2021.
  • Стефан А. Майер. Плазмоника: Теория и приложения = Plasmonics: Fundamentals and Applications / Под ред. С. С. Савинского. — Москва-Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2011. — 296 с. — ISBN 978-5-93972-875-1.
  • Климов В.В. Наноплазмоника. — М.: Физматлит, 2009.

См. также

править

Примечания

править
  1. ↑ Novotny, Lukas; Hecht, Bert. Principles of Nano-Optics (англ.). — Cambridge University Press, 2012. — ISBN 9780511794193.
  2. ↑ 1 2 Maier, S. A. (2001). "Plasmonics-A Route to Nanoscale Optical Devices". Advanced Materials. 13 (19): 1501—1505. doi:10.1002/1521-4095(200110)13:19<1501::AID-ADMA1501>3.0.CO;2-Z. ISSN 0935-9648.
  3. ↑ Gramotnev, Dmitri K. (2010). "Plasmonics beyond the diffraction limit". Nature Photonics. 4 (2): 83—91. Bibcode:2010NaPho...4...83G. doi:10.1038/nphoton.2009.282. ISSN 1749-4885.
  4. ↑ Barnes, William L (2006-03-21). "Surface plasmon–polariton length scales: a route to sub-wavelength optics". Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. 8 (4). IOP Publishing: S87—S93. doi:10.1088/1464-4258/8/4/s06. ISSN 1464-4258.
  5. ↑ Boriskina, S. V. (2011-02-07). "Spectrally and spatially configurable superlenses for optoplasmonic nanocircuits". Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (8). Proceedings of the National Academy of Sciences USA: 3147—3151. arXiv:1110.6822. Bibcode:2011PNAS..108.3147B. doi:10.1073/pnas.1016181108. ISSN 0027-8424. PMID 21300898.
  6. ↑ 1 2 Ahn, Wonmi (2013-04-25). "Demonstration of Efficient On-Chip Photon Transfer in Self-Assembled Optoplasmonic Networks". ACS Nano. 7 (5). American Chemical Society (ACS): 4470—4478. doi:10.1021/nn401062b. ISSN 1936-0851. PMID 23600526.
  7. ↑ Santiago-Cordoba, Miguel A. (2011-08-15). "Nanoparticle-based protein detection by optical shift of a resonant microcavity". Applied Physics Letters. 99 (7). AIP Publishing. arXiv:1108.2337. Bibcode:2011ApPhL..99g3701S. doi:10.1063/1.3599706. ISSN 0003-6951.
  8. ↑ Grandidier, Jonathan (2009-08-12). "Gain-Assisted Propagation in a Plasmonic Waveguide at Telecom Wavelength". Nano Letters. 9 (8). American Chemical Society (ACS): 2935—2939. Bibcode:2009NanoL...9.2935G. doi:10.1021/nl901314u. ISSN 1530-6984. PMID 19719111.
  9. ↑ S.V. Boriskina, H. Ghasemi, and G. Chen, Materials Today, vol. 16, pp. 379-390, 2013
  10. ↑ 1 2 3 4 Ebbesen, Thomas W. (2008). "Surface-plasmon circuitry". Physics Today. 61 (5): 44—50. Bibcode:2008PhT....61e..44E. doi:10.1063/1.2930735. ISSN 0031-9228.
  11. ↑ 1 2 Brongersma, Mark. "Are Plasmonics Circuitry Wave of Future?" Stanford School of Engineering. N.p., n.d. Web. 26 Nov. 2014. <http://engineering.stanford.edu/research-profile/mark-brongersma-mse Архивная копия от 19 сентября 2015 на Wayback Machine>.
  12. ↑ Ozbay, E. (2006-01-13). "Plasmonics: Merging Photonics and Electronics at Nanoscale Dimensions". Science. 311 (5758). American Association for the Advancement of Science (AAAS): 189—193. Bibcode:2006Sci...311..189O. doi:10.1126/science.1114849. ISSN 0036-8075. PMID 16410515.
  13. ↑ Naik, Gururaj V. (2011-09-06). "Oxides and nitrides as alternative plasmonic materials in the optical range [Invited]". Optical Materials Express. 1 (6): 1090—1099. arXiv:1108.0993. Bibcode:2011OMExp...1.1090N. doi:10.1364/ome.1.001090. ISSN 2159-3930.
  14. ↑ Vakil, A. (2011-06-09). "Transformation Optics Using Graphene". Science. 332 (6035). American Association for the Advancement of Science (AAAS): 1291—1294. Bibcode:2011Sci...332.1291V. doi:10.1126/science.1202691. ISSN 0036-8075. PMID 21659598.
  15. ↑ Boriskina, Svetlana V. (2012). "Molding the flow of light on the nanoscale: from vortex nanogears to phase-operated plasmonic machinery". Nanoscale. 4 (1). Royal Society of Chemistry (RSC): 76—90. doi:10.1039/c1nr11406a. ISSN 2040-3364. PMID 22127488.
  16. ↑ Ahn, Wonmi (2011-12-21). "Electromagnetic Field Enhancement and Spectrum Shaping through Plasmonically Integrated Optical Vortices". Nano Letters. 12 (1). American Chemical Society (ACS): 219—227. doi:10.1021/nl203365y. ISSN 1530-6984. PMID 22171957.
  17. ↑ S.V. Boriskina "Plasmonics with a twist: taming optical tornadoes on the nanoscale," chapter 12 in: Plasmonics: Theory and applications (T.V. Shahbazyan and M.I. Stockman Eds.) Springer 2013
  18. ↑ Veronis, Georgios (2005-09-26). "Bends and splitters in metal-dielectric-metal subwavelength plasmonic waveguides". Applied Physics Letters. 87 (13). AIP Publishing. Bibcode:2005ApPhL..87m1102V. doi:10.1063/1.2056594. ISSN 0003-6951.
  19. ↑ Boriskina, Svetlana (2015-06-18). "Enhancement and Tunability of Near-Field Radiative Heat Transfer Mediated by Surface Plasmon Polaritons in Thin Plasmonic Films". Photonics. 2 (2). MDPI AG: 659—683. doi:10.3390/photonics2020659. ISSN 2304-6732.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
  20. ↑ Challener, W. A. (2009-03-22). "Heat-assisted magnetic recording by a near-field transducer with efficient optical energy transfer". Nature Photonics. 3 (4). Springer Science and Business Media LLC: 220—224. Bibcode:2009NaPho...3..220C. doi:10.1038/nphoton.2009.26. ISSN 1749-4885.
  21. ↑ Sorger, Volker J. (2012). "Toward integrated plasmonic circuits". MRS Bulletin. 37 (8). Cambridge University Press (CUP): 728—738. doi:10.1557/mrs.2012.170. ISSN 0883-7694.
  22. ↑ Verhagen, Ewold (2009-05-19). "Nanowire Plasmon Excitation by Adiabatic Mode Transformation". Physical Review Letters. 102 (20). American Physical Society (APS). Bibcode:2009PhRvL.102t3904V. doi:10.1103/physrevlett.102.203904. ISSN 0031-9007. PMID 19519030.
  23. ↑ Dionne, J. A. (2006). "Highly Confined Photon Transport in Subwavelength Metallic Slot Waveguides". Nano Letters. 6 (9). American Chemical Society (ACS): 1928—1932. Bibcode:2006NanoL...6.1928D. doi:10.1021/nl0610477. ISSN 1530-6984. PMID 16968003.
  24. ↑ Steinberger, B. (2006-02-27). "Dielectric stripes on gold as surface plasmon waveguides". Applied Physics Letters. 88 (9). AIP Publishing. Bibcode:2006ApPhL..88i4104S. doi:10.1063/1.2180448. ISSN 0003-6951.
  25. ↑ Krasavin, Alexey V. (2010-05-19). "Silicon-based plasmonic waveguides". Optics Express. 18 (11). The Optical Society: 11791—9. Bibcode:2010OExpr..1811791K. doi:10.1364/oe.18.011791. ISSN 1094-4087. PMID 20589040.
  26. ↑ Jung, K.-Y. (2009). "Surface Plasmon Coplanar Waveguides: Mode Characteristics and Mode Conversion Losses". IEEE Photonics Technology Letters. 21 (10). Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE): 630—632. Bibcode:2009IPTL...21..630J. doi:10.1109/lpt.2009.2015578. ISSN 1041-1135.
  27. ↑ Bozhevolnyi, Sergey I. (2006). "Channel plasmon subwavelength waveguide components including interferometers and ring resonators". Nature. 440 (7083). Springer Nature: 508—511. Bibcode:2006Natur.440..508B. doi:10.1038/nature04594. ISSN 0028-0836. PMID 16554814.
  28. ↑ Pile, D. F. P. (2005-08-08). "Theoretical and experimental investigation of strongly localized plasmons on triangular metal wedges for subwavelength waveguiding". Applied Physics Letters. 87 (6). AIP Publishing. Bibcode:2005ApPhL..87f1106P. doi:10.1063/1.1991990. ISSN 0003-6951.
  29. ↑ Boriskina, S. V. (2011-02-07). "Spectrally and spatially configurable superlenses for optoplasmonic nanocircuits". Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (8): 3147—3151. arXiv:1110.6822. Bibcode:2011PNAS..108.3147B. doi:10.1073/pnas.1016181108. ISSN 0027-8424. PMID 21300898.
  30. ↑ M. Z. Alam, J. Meier, J. S. Aitchison, and M. Mojahedi, "Super mode propagation in low index medium", Paper ID: JThD112, CLEO/QELS 2007.
  31. ↑ Sorger, Volker J. (2011-05-31). "Experimental demonstration of low-loss optical waveguiding at deep sub-wavelength scales". Nature Communications. 2 (1). Springer Science and Business Media LLC. Bibcode:2011NatCo...2..331S. doi:10.1038/ncomms1315. ISSN 2041-1723.
  32. ↑ Oulton, R. F. (2008-07-11). "A hybrid plasmonic waveguide for subwavelength confinement and long-range propagation". Nature Photonics. 2 (8). Springer Science and Business Media LLC: 496—500. Bibcode:2008NaPho...2.....O. doi:10.1038/nphoton.2008.131. ISSN 1749-4885.
  33. ↑ Alam, Muhammad Z. (2014-02-19). "A marriage of convenience: Hybridization of surface plasmon and dielectric waveguide modes". Laser & Photonics Reviews. 8 (3). Wiley: 394—408. Bibcode:2014LPRv....8..394A. doi:10.1002/lpor.201300168. ISSN 1863-8880.
  34. ↑ Krenn, J. R. (2004-04-15). "Surface plasmon polaritons in metal stripes and wires". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 362 (1817). The Royal Society: 739—756. doi:10.1098/rsta.2003.1344. ISSN 1364-503X. PMID 15306491.
  35. ↑ González, M. U. (2006-04-13). "Design, near-field characterization, and modeling of 45° surface-plasmon Bragg mirrors". Physical Review B. 73 (15). American Physical Society (APS). Bibcode:2006PhRvB..73o5416G. doi:10.1103/physrevb.73.155416. ISSN 1098-0121.
  36. ↑ Pacifici, Domenico (2007). "All-optical modulation by plasmonic excitation of CdSe quantum dots". Nature Photonics. 1 (7). Springer Nature: 402—406. Bibcode:2007NaPho...1..402P. doi:10.1038/nphoton.2007.95. ISSN 1749-4885.
  37. ↑ Wu, Zhi (2008-03-05). "Plasmonic electro-optic modulator design using a resonant metal grating". Optics Letters. 33 (6). The Optical Society: 551—3. Bibcode:2008OptL...33..551W. doi:10.1364/ol.33.000551. ISSN 0146-9592. PMID 18347706.
  38. ↑ Nikolajsen, Thomas (2004-12-13). "Surface plasmon polariton based modulators and switches operating at telecom wavelengths". Applied Physics Letters. 85 (24). AIP Publishing: 5833—5835. Bibcode:2004ApPhL..85.5833N. doi:10.1063/1.1835997. ISSN 0003-6951.
  39. ↑ Stockman, Mark I. (2008). "Spasers explained". Nature Photonics. 2 (6). Springer Science and Business Media LLC: 327—329. Bibcode:2008NaPho...2..327S. doi:10.1038/nphoton.2008.85. ISSN 1749-4885.
  40. ↑ Volkov, Valentyn S. (2006). "Compact gradual bends for channel plasmon polaritons". Optics Express. 14 (10). The Optical Society: 4494—503. Bibcode:2006OExpr..14.4494V. doi:10.1364/oe.14.004494. ISSN 1094-4087. PMID 19516603.

 

Источник — https://ru.wiki.x.io/w/index.php?title=Плазмоника&oldid=140206752