Plasmonické obvody - Plasmonic circuitry

Plasmonics je studium plazmony, kvazičástice z plazmová oscilace v pevných látkách, jako je kovy, polokovy, oxidy kovů, nitridy dopovaný polovodiče V současné době se vyvíjí snaha o implementaci plazmonů do systému elektrické obvody, nebo analogově v elektrickém obvodu, kombinovat efektivitu velikosti elektroniky s datovou kapacitou fotonické integrované obvody.[1] Plasmoniku lze chápat jako „světlo na kov-dielektrická rozhraní“[2] kde elektrony oscilují na povrchu kovu v důsledku silných rezonančních interakcí s elektrickým polem dopadajícího světla. Kvůli vysoké rozptyl rychlost elektronů, ohmické ztráty v plazmonických signálech jsou obecně velké, což omezuje přenosové vzdálenosti signálu na sub-centimetrový rozsah,[3] pokud hybridní optoplasmonické světelné vodicí sítě,[4][5][6] nebo zesílení zisku plasmonu[7] Jsou používány. Jak polaritony povrchového plazmonu šířící se podél kov-dielektrických rozhraní, tak režimy lokalizovaného povrchového plazmonu podporované nanočásticemi kovu se vyznačují velkými hodnotami hybnosti, které umožňují silné rezonanční zvýšení lokální hustoty fotonových stavů,[8] a lze je použít ke zvýšení slabých optických efektů optoelektronických zařízení.

Aktuální problémy

Jedním z největších problémů, jak učinit plazmonické obvody proveditelnou realitou, je neprakticky krátká délka šíření povrchových plazmonů. Povrchové plazmony typicky cestují vzdálenosti pouze na stupnici milimetrů, než tlumení snižuje signál.[9] To je do značné míry způsobeno jedinečným rozptylovým vztahem povrchových plazmonů, který ukazuje, že jak se zvyšuje vězení, zvyšuje se odporové tlumení; tedy délka šíření klesá.[1] Vědci se pokoušejí snížit ztráty v šíření povrchového plazmonu zkoumáním různých materiálů a jejich příslušných vlastností.[10] Nové slibné plazmonické materiály s nízkými ztrátami zahrnují oxidy a nitridy kovů[11] stejně jako grafen.[12] Další předvídatelnou bariérou plazmonických obvodů bude muset být překonáno, je teplo; teplo v plazmonickém obvodu může nebo nemusí překročit teplo generované složitými elektronickými obvody.[9] Nedávno bylo navrženo snížit zahřívání v plazmonických sítích jejich návrhem na podporu zachycených optických vírů, které cirkulují světelný tok energie mezerami mezi částicemi, čímž se snižuje absorpce a ohmický ohřev,[13][14][15] Kromě tepla je také obtížné změnit směr plazmonického signálu v obvodu, aniž by se významně snížila jeho amplituda a délka šíření.[1] Jedním chytrým řešením problému ohýbání ve směru šíření je použití Braggova zrcadla naklonit signál v určitém směru, nebo dokonce fungovat jako rozdělovače signálu.[16] Nakonec vznikající aplikace plazmonických látek pro manipulaci s tepelnými emisemi [17] a tepelný magnetický záznam [18] využít ohmické ztráty v kovech k získání zařízení s novými vylepšenými funkcemi.

Vlnovod

Optimální konstrukce plazmonických vlnovodů se snaží maximalizovat jak omezení, tak i délku šíření povrchových plazmonů v plazmonickém okruhu. Polaritony povrchových plazmonů jsou charakterizovány komplexem vlnový vektor, se součástmi rovnoběžnými a kolmými na rozhraní kov-dielektrikum. Imaginární část složky vlnového vektoru je nepřímo úměrná délce šíření SPP, zatímco její skutečná část definuje omezení SPP.[19] Disperzní charakteristiky SPP závisí na dielektrických konstantách materiálů, které obsahují vlnovod. Délka šíření a zadržování povrchové plazmonové polaritonové vlny jsou nepřímo úměrné. Proto silnější omezení režimu má obvykle za následek kratší délky šíření. Konstrukce praktického a použitelného povrchu plazmonového obvodu je silně závislá na kompromisu mezi množením a omezením. Maximalizace vězení i délky šíření pomáhá zmírnit nevýhody volby délky šíření nad vězením a naopak. Bylo vyvinuto několik typů vlnovodů ve snaze o plazmonický obvod se silným omezením a dostatečnou délkou šíření. Mezi nejběžnější typy patří izolátor-kov-izolátor (IMI),[20] kov-izolátor-kov (MIM),[21] dielektricky nabitý povrchový plazmonový polariton (DLSPP),[22][23] gap plasmon polariton (GPP),[24] kanálový plazmon polariton (CPP),[25] klínový povrchový plazmon polariton (klín),[26] a hybridní opto-plazmonické vlnovody a sítě.[27][28] Ztrátové ztráty doprovázející šíření SPP v kovech lze zmírnit zesílením zesílení nebo jejich kombinací do hybridních sítí s fotonickými prvky, jako jsou vlákna a vlnovody spojené s rezonátory.[27][28] Tento design může vyústit v dříve zmíněný hybridní plazmonický vlnovod, který vykazuje režim subvlnových délek na stupnici jedné desetiny difrakčního limitu světla, spolu s přijatelnou délkou šíření.[29][30][31][32]

Spojka

Vstupní a výstupní porty plazmonického obvodu budou přijímat a odesílat optické signály. K tomu je nezbytné spojení a oddělení optického signálu od povrchového plazmonu.[33] Disperzní vztah pro povrchový plazmon leží zcela pod disperzním vztahem pro světlo, což znamená, že aby došlo ke vazbě, měl by vstupní vazební člen poskytnout další hybnost, aby se dosáhlo zachování hybnosti mezi příchozím světlem a povrchovými plazmonovými polaritonovými vlnami spuštěnými v plazmonickém obvodu .[1] Existuje několik řešení, včetně použití dielektrických hranolů, mřížek nebo lokalizovaných rozptylových prvků na povrchu kovu, které pomáhají vyvolat vazbu spojením hybnosti dopadajícího světla a povrchových plazmonů.[34] Poté, co byl vytvořen povrchový plazmon a odeslán na místo určení, může být poté převeden na elektrický signál. Toho lze dosáhnout použitím fotodetektoru v kovové rovině nebo oddělením povrchového plazmonu do volně se šířícího světla, které lze poté převést na elektrický signál.[1] Alternativně může být signál vyveden ven do režimu šíření optického vlákna nebo vlnovodu.

Aktivní zařízení

Pokrok dosažený v povrchových plazmonech za posledních 50 let vedl k vývoji různých typů zařízení, aktivních i pasivních. Některé z nejvýznamnějších oblastí aktivních zařízení jsou optické, termooptické a elektrooptické. All-optická zařízení prokázala schopnost stát se životaschopným zdrojem pro zpracování informací, komunikaci a ukládání dat, pokud se použije jako modulátor. V jednom případě byla interakce dvou světelných paprsků různých vlnových délek demonstrována jejich přeměnou na společně se množící povrchové plazmony prostřednictvím selenid kademnatý kvantové tečky.[35] Elektrooptická zařízení mají kombinované aspekty optických i elektrických zařízení také ve formě modulátoru. Konkrétně byly elektrooptické modulátory navrženy pomocí evanescentně spojených rezonančních kovových mřížek a nanodrátů, které se spoléhají na povrchové plazmony s dlouhým dosahem (LRSP).[36] Podobně termoptická zařízení, která obsahují dielektrický materiál, jehož index lomu se mění s kolísáním teploty, se také používají jako interferometrické modulátory signálů SPP kromě přepínačů se směrovým vazebním členem. Ukázalo se, že některá termooptická zařízení využívají vlnovod LRSP podél zlatých pruhů, které jsou zality v polymeru a ohřívané elektrickými signály jako prostředek pro modulační a směrově propojovací spínače.[37] Další potenciální pole spočívá v použití spasery v oblastech, jako je litografie v nanoměřítku, sondy a mikroskopie.[38]

Pasivní zařízení

Ačkoli aktivní složky hrají při používání plazmonických obvodů důležitou roli, pasivní obvody jsou stejně integrální a překvapivě není triviální. Mnoho pasivních prvků jako např hranoly, čočky, a rozdělovače paprsků lze implementovat v plazmonickém obvodu, avšak výroba v nano měřítku se ukázala jako obtížná a má nepříznivé účinky. K výrazným ztrátám může dojít v důsledku oddělení v situacích, kdy je použit refrakční prvek s jiným indexem lomu. Byly však podniknuty určité kroky k minimalizaci ztrát a maximalizaci kompaktnosti fotonických složek. Jeden takový krok závisí na použití Braggovy reflektory, nebo zrcadla složená z posloupnosti rovin k řízení povrchového plazmonového paprsku. Při optimalizaci mohou reflektory Bragg odrážet téměř 100% příchozího výkonu.[1] Další metoda použitá k vytvoření kompaktních fotonických komponent se opírá o CPP vlnovody, protože vykazují silné omezení s přijatelnými ztrátami menšími než 3 dB v rámci telekomunikačních vlnových délek.[39] Maximalizace ztráty a kompaktnosti s ohledem na použití pasivních zařízení i aktivních zařízení vytváří větší potenciál pro použití plazmonických obvodů.

Reference

  1. ^ A b C d E F T. W. Ebbesen, C. Genet, S. I. Bozhevolnyi, "Povrchové plazmové obvody", Am. Inst. of Phys., 44-50, (2008)
  2. ^ Maier, Plasmonics, Fundamentals and Applications (Springer, New York, 2007).
  3. ^ Barnes, William L (2006-03-21). „Povrchové stupnice délky plazmon – polariton: cesta k optice pod vlnovou délkou“. Journal of Optics A: Pure and Applied Optics. Publikování IOP. 8 (4): S87 – S93. doi:10.1088 / 1464-4258 / 8/4 / s06. ISSN  1464-4258.
  4. ^ Boriskina, S. V .; Reinhard, B. M. (07.02.2011). „Spektrálně a prostorově konfigurovatelné superčočky pro optoplasmonické nanoobvody“. Sborník Národní akademie věd. Sborník Národní akademie věd USA. 108 (8): 3147–3151. doi:10.1073 / pnas.1016181108. ISSN  0027-8424.
  5. ^ Ahn, Wonmi; Hong, Yan; Boriskina, Svetlana V .; Reinhard, Björn M. (2013-04-25). „Ukázka efektivního přenosu fotonů na čipu v samo-sestavených optoplasmonických sítích“. ACS Nano. Americká chemická společnost (ACS). 7 (5): 4470–4478. doi:10.1021 / nn401062b. ISSN  1936-0851.
  6. ^ Santiago-Cordoba, Miguel A .; Boriskina, Svetlana V .; Vollmer, Frank; Demirel, Melik C. (2011-08-15). „Detekce proteinů na bázi nanočástic optickým posunem rezonanční mikrodutiny“. Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 99 (7): 073701. arXiv:1108.2337. doi:10.1063/1.3599706. ISSN  0003-6951.
  7. ^ Grandidier, Jonathan; des Francs, Gérard Colas; Massenot, Sébastien; Bouhelier, Alexandre; Markey, Laurent; Weeber, Jean-Claude; Finot, Christophe; Dereux, Alain (12.8.2009). "Propagace podporovaná zesílením v plazmovém vlnovodu na vlnové délce Telecomu". Nano dopisy. Americká chemická společnost (ACS). 9 (8): 2935–2939. doi:10.1021 / nl901314u. ISSN  1530-6984.
  8. ^ S.V. Boriskina, H. Ghasemi a G. Chen, Materials Today, sv. 16, s. 379-390, 2013
  9. ^ A b Brongersma, Marku. „Jsou Plasmonics Circuitry Wave of Future?“ Stanfordská technická škola. N.p., n.d. Web. 26. listopadu 2014. <http://engineering.stanford.edu/research-profile/mark-brongersma-mse >.
  10. ^ Ozbay, E. (2006-01-13). „Plasmonics: Merging Photonics and Electronics at Nanoscale Dimensions“. Věda. Americká asociace pro rozvoj vědy (AAAS). 311 (5758): 189–193. doi:10.1126 / science.1114849. hdl:11693/38263. ISSN  0036-8075.
  11. ^ Naik, Gururaj V .; Kim, Jongbum; Boltasseva, Alexandra (06.09.2011). "Oxidy a nitridy jako alternativní plazmonické materiály v optické oblasti [pozváno]". Optické materiály Express. Optická společnost. 1 (6): 1090-1099. doi:10.1364 / ome.1.001090. ISSN  2159-3930.
  12. ^ Vakil, A .; Engheta, N. (09.06.2011). "Transformační optika pomocí grafenu". Věda. Americká asociace pro rozvoj vědy (AAAS). 332 (6035): 1291–1294. doi:10.1126 / science.1202691. ISSN  0036-8075.
  13. ^ Boriskina, Svetlana V .; Reinhard, Björn M. (2012). "Formování toku světla na nanoměřítku: od vírových nanogearů po fázově ovládané plazmonické stroje". Nanoměřítko. Royal Society of Chemistry (RSC). 4 (1): 76–90. doi:10.1039 / c1nr11406a. ISSN  2040-3364. PMC  3339274.
  14. ^ Ahn, Wonmi; Boriskina, Svetlana V .; Hong, Yan; Reinhard, Björn M. (21. 12. 2011). „Vylepšení elektromagnetického pole a tvarování spektra prostřednictvím plazmonicky integrovaných optických vírů“. Nano dopisy. Americká chemická společnost (ACS). 12 (1): 219–227. doi:10.1021 / nl203365y. ISSN  1530-6984. PMC  3383062.
  15. ^ S.V. Boriskina „Plasmonics with a twist: twing optical tornáda on the nanoscale,“ kapitola 12 in: Plasmonics: Theory and applications (T.V. Shahbazyan and M.I. Stockman Eds.) Springer 2013
  16. ^ Veronis, Georgios; Fan, Shanhui (2005-09-26). "Ohyby a rozbočovače v plazmových vlnovodech subwavelength metal-dielectric-metal subwavelength". Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 87 (13): 131102. doi:10.1063/1.2056594. ISSN  0003-6951.
  17. ^ Boriskina, Svetlana; Tong, Jonathan; Huang, Yi; Zhou, Jiawei; Chiloyan, Vazrik; Chen, Gang (2015-06-18). „Vylepšení a laditelnost přenosu radiačního tepla v blízkém poli zprostředkovaná polaritony povrchových plazmonů v tenkých plazmonických filmech“. Fotonika. MDPI AG. 2 (2): 659–683. doi:10,3390 / photonics2020659. ISSN  2304-6732.
  18. ^ Challenger, W. A .; Peng, Chubing; Itagi, A. V .; Karns, D .; Peng, Wei; et al. (2009-03-22). „Tepelně podporovaný magnetický záznam snímačem blízkého pole s účinným přenosem optické energie“. Přírodní fotonika. Springer Science and Business Media LLC. 3 (4): 220–224. doi:10.1038 / nphoton.2009.26. ISSN  1749-4885.
  19. ^ Sorger, Volker J .; Oulton, Rupert F .; Ma, Ren-Min; Zhang, Xiang (2012). "Směrem k integrovaným plazmonickým obvodům". Bulletin MRS. Cambridge University Press (CUP). 37 (8): 728–738. doi:10.1557 / paní.2012.170. ISSN  0883-7694.
  20. ^ Verhagen, Ewold; Spasenović, Marko; Polman, Albert; Kuipers, L. (Kobus) (2009-05-19). "Nanowire Plasmon Excitation by Adiabatic Mode Transformation". Dopisy o fyzické kontrole. Americká fyzická společnost (APS). 102 (20): 203904. doi:10.1103 / physrevlett.102.203904. ISSN  0031-9007.
  21. ^ Dionne, J. A .; Lezec, H. J .; Atwater, Harry A. (2006). "Vysoce omezený přenos fotonů v kovových drážkových vlnovodech s vlnovou délkou". Nano dopisy. Americká chemická společnost (ACS). 6 (9): 1928–1932. doi:10.1021 / nl0610477. ISSN  1530-6984.
  22. ^ Steinberger, B .; Hohenau, A .; Ditlbacher, H .; Stepanov, A.L .; Drezet, A .; Aussenegg, F. R .; Leitner, A .; Krenn, J. R. (2006-02-27). "Dielektrické pruhy na zlatě jako povrchové plazmonové vlnovody". Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 88 (9): 094104. doi:10.1063/1.2180448. ISSN  0003-6951.
  23. ^ Krasavin, Alexey V .; Zayats, Anatoly V. (2010-05-19). „Plasmonické vlnovody na bázi křemíku“. Optika Express. Optická společnost. 18 (11): 11791. doi:10.1364 / oe.18.011791. ISSN  1094-4087.
  24. ^ Jung, K.-Y .; Teixeira, F.L .; Reano, R.M. (2009). „Povrchové plazmové koplanární vlnovody: Charakteristiky režimu a ztráty převodu režimu“. IEEE Photonics Technology Letters. Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 21 (10): 630–632. doi:10.1109 / lpt.2009.2015578. ISSN  1041-1135.
  25. ^ Bozhevolnyi, Sergey I .; Volkov, Valentyn S .; Devaux, Eloïse; Laluet, Jean-Yves; Ebbesen, Thomas W. (2006). "Komponenty vlnovodu s vlnovodem plazmového kanálu pod vlnovou délkou včetně interferometrů a kruhových rezonátorů". Příroda. Springer Nature. 440 (7083): 508–511. doi:10.1038 / nature04594. ISSN  0028-0836.
  26. ^ Pile, D. F. P .; Ogawa, T .; Gramotnev, D. K .; Okamoto, T .; Haraguchi, M .; Fukui, M .; Matsuo, S. (08.08.2005). "Teoretické a experimentální zkoumání silně lokalizovaných plazmonů na trojúhelníkových kovových klínech pro vlnovod do vlnových délek". Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 87 (6): 061106. doi:10.1063/1.1991990. ISSN  0003-6951.
  27. ^ A b Boriskina, S. V .; Reinhard, B. M. (07.02.2011). „Spektrálně a prostorově konfigurovatelné superčočky pro optoplasmonické nanoobvody“. Sborník Národní akademie věd. Sborník Národní akademie věd. 108 (8): 3147–3151. doi:10.1073 / pnas.1016181108. ISSN  0027-8424.
  28. ^ A b Ahn, Wonmi; Hong, Yan; Boriskina, Svetlana V .; Reinhard, Björn M. (2013-04-25). „Ukázka efektivního přenosu fotonů na čipu v samo-sestavených optoplasmonických sítích“. ACS Nano. Americká chemická společnost (ACS). 7 (5): 4470–4478. doi:10.1021 / nn401062b. ISSN  1936-0851.
  29. ^ M. Z. Alam, J. Meier, J. S. Aitchison a M. Mojahedi, „Šíření v super režimu v médiu s nízkým indexem“, ID papíru: JThD112, CLEO / QELS 2007.
  30. ^ Sorger, Volker J .; Ye, Ziliang; Oulton, Rupert F .; Wang, Yuan; Bartal, Guy; Yin, Xiaobo; Zhang, Xiang (2011-05-31). „Experimentální demonstrace nízkoztrátového optického vlnovodu na stupnicích hlubokých vlnových délek“. Příroda komunikace. Springer Science and Business Media LLC. 2 (1): 331. doi:10.1038 / ncomms1315. ISSN  2041-1723.
  31. ^ Oulton, R. F .; Sorger, V. J .; Genov, D. A .; Pile, D. F. P .; Zhang, X. (2008-07-11). „Hybridní plazmonický vlnovod pro omezování vlnových délek a dálkové šíření“. Přírodní fotonika. Springer Science and Business Media LLC. 2 (8): 496–500. doi:10.1038 / nphoton.2008.131. ISSN  1749-4885.
  32. ^ Alam, Muhammad Z .; Aitchison, J. Stewart; Mojahedi, Mo (2014-02-19). "Manželství z pohodlí: Hybridizace povrchového plazmonu a režimy dielektrického vlnovodu". Recenze laseru a fotoniky. Wiley. 8 (3): 394–408. doi:10.1002 / lpor.201300168. ISSN  1863-8880.
  33. ^ Krenn, J. R .; Weeber, J.-C. (2004-04-15). Richards, David; Zayats, Anatoly (eds.). "Povrchové plazmonové polaritony v kovových pásech a drátech". Filozofické transakce Královské společnosti v Londýně. Řada A: Matematické, fyzikální a technické vědy. Královská společnost. 362 (1817): 739–756. doi:10.1098 / rsta.2003.1344. ISSN  1364-503X.
  34. ^ González, M. U .; Weeber, J.-C .; Baudrion, A.-L .; Dereux, A .; Stepanov, A.L .; Krenn, J. R .; Devaux, E .; Ebbesen, T. W. (2006-04-13). "Návrh, charakterizace blízkého pole a modelování Braggových zrcadel se 45 ° povrchovým plazmonem". Fyzický přehled B. Americká fyzická společnost (APS). 73 (15): 155416. doi:10.1103 / physrevb.73.155416. ISSN  1098-0121.
  35. ^ Pacifici, Domenico; Lezec, Henri J .; Atwater, Harry A. (2007). „All-optical modulation by plasmonic excitation of CdSe quantum dots“. Přírodní fotonika. Springer Nature. 1 (7): 402–406. doi:10.1038 / nphoton.2007.95. ISSN  1749-4885.
  36. ^ Wu, Zhi; Nelson, Robert L .; Haus, Joseph W .; Zhan, Qiwen (05.03.2008). „Návrh plazmového elektrooptického modulátoru pomocí rezonanční kovové mřížky“. Optická písmena. Optická společnost. 33 (6): 551. doi:10,1364 / ol. 33,000551. ISSN  0146-9592.
  37. ^ Nikolajsen, Thomas; Leosson, Kristjan; Bozhevolnyi, Sergey I. (2004-12-13). "Povrchové modulátory a přepínače založené na polaritonu plazmonu pracující na vlnových délkách telekomunikací". Aplikovaná fyzikální písmena. Publikování AIP. 85 (24): 5833–5835. doi:10.1063/1.1835997. ISSN  0003-6951.
  38. ^ Stockman, Mark I. (2008). "Vysvětlují to spasery". Přírodní fotonika. Springer Science and Business Media LLC. 2 (6): 327–329. doi:10.1038 / nphoton.2008.85. ISSN  1749-4885.
  39. ^ Volkov, Valentyn S .; Bozhevolnyi, Sergey I .; Devaux, Eloïse; Ebbesen, Thomas W. (2006). „Kompaktní postupné ohyby pro polaritony kanálového plazmonu“. Optika Express. Optická společnost. 14 (10): 4494. doi:10,1364 / oe.14.004494. ISSN  1094-4087.