[論文レビュー] A method for reduction of propagation loss of surface plasmons. Experimental demonstration of the loss reduction for Fe/MgO/AlGaAs plasmonic structure integrated with AlGaAs/GaAs optical waveguide

Vadym Zayets, H. Saito+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 18被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、表面プラズモンの伝搬損失を低減するために最適化された誘電体.confine された Fe/MgO/AlGaAs プラズモニック構造を提案する。MgO と AlGaAs 間の屈折率対比を設計することで、記録的な低損失 0.17 dB/μm と、AlGaAs/GaAs 波ガイドとの 2.2 dB/facet の結合効率を達成し、III-V 半導体における低損失プラズモニック統合の実現可能性を示した。

ABSTRACT

A method for the substantial reduction of propagation loss of surface plasmons was proposed and experimentally demonstrated. The method is based on the fact that the propagation loss of the surface plasmons depends significantly on the optical confinement of the plasmon. A plasmonic structure, which contains a metal and two dielectric layers of different refractive indexes, is proposed in order to optimize optical confinement and to reduce propagation loss of the surface plasmons. A low propagation loss of 0.17 dB/um for a surface plasmon in a Fe/MgO/AlGaAs plasmonic structure was achieved. A good coupling efficiency of 2.2 dB/facet between a surface plasmon in Fe/MgO/AlGaAs and a waveguide mode in AlGaAs/GaAs optical waveguide was demonstrated.

研究の動機と目的

• 実用的なプラズモニック統合回路における表面プラズモンモードの伝搬損失を低減すること。
• 特に III-V 半導体における金属-誘電体プラズモニック構造の高い固有損失に対処すること。
• 誘電体工学を用いて、マルチレイヤープラズモニック構造における光学的閉じ込めを最適化すること。
• 表面プラズモンモードと従来の光波ガイドモードとの間の効率的結合を実証すること。

提案手法

• 屈折率が異なる二つの誘電体を用いた、光学的閉じ込めを向上させる Fe/MgO/AlGaAs マルチレイヤー構造の設計。
• 表面プラズモンの有効モード閉じ込めを向上させるために、MgO を高屈折率誘電体キャップとして使用。
• 近赤外波長で表面プラズモンポラリトンを支持できる高いプラズマ周波数を持つ Fe をプラズモニック金属として採用。
• 表面プラズモンモードと効率的なモード変換を実現するため、AlGaAs/GaAs 波ガイドと統合。
• エンドファイア結合および近接場走査光学顕微鏡を用いた伝搬損失の実験的測定。
• モード閉じ込めと金属吸収損失のバランスを取るために、層厚みの最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 III-V 半導体において、マルチレイヤー誘電体/金属/誘電体構造が表面プラズモン伝搬損失を 0.2 dB/μm 未満に低下させることができるか？
• RQ2 誘電体間の屈折率対比が、表面プラズモンの光学的閉じ込めと損失にどのように影響するか？
• RQ3 Fe/MgO/AlGaAs における表面プラズモンモードと、AlGaAs/GaAs 波ガイドモードとの間で達成可能な結合効率はどの程度か？
• RQ4 提案された構造が、既存の半導体フォトニクス回路とプラズモニック素子を実用的に統合可能か？
• RQ5 このマルチレイヤープラズモニック設計において、モード閉じ込めと伝搬損失のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• Fe/MgO/AlGaAs 構造における表面プラズモンの伝搬損失が実験的に 0.17 dB/μm に達し、通常の値と比較して顕著な低減が実現された。
• 表面プラズモンモードと AlGaAs/GaAs 波ガイドモード間の結合効率が 2.2 dB/facet に測定され、従来のフォトニクス回路と高い適合性を示した。
• 高屈折率誘電体層としての MgO の使用が、モード閉じ込めの向上と放射損失・吸収損失の低減に効果的に寄与した。
• マルチレイヤー設計により、モード閉じ込めと金属吸収損失が明確に分離され、低損失伝搬が可能となった。
• III-V 半導体波ガイドと低損失プラズモニック波ガイドを統合する可能性が実証され、オンチップフォトニクス用途に適した。
• 実験的検証により、金属-誘電体マルチレイヤーにおける誘電体工学がプラズモン伝搬損失を最小限に抑える有効な戦略であることが確認された。