[論文レビュー] Cavity Induced Tunable Extraordinary Transmission: A Unique Way of Funneling Light through Subwavelength Apertures

Sushrut Modak, Alireza Safaei+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2017

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、光学的キャビティが補完的穴孔と結合することで、自然なプラズモン共鳴に近い領域からもほぼ100%の透過を実現する、キャビティ誘導型可変能帯外的透過メカニズムを提案する。キャビティ位相が共鳴的プラズモン応答を駆動し、透過帯域の広いスペクトル的チューニングを可能にし、幾何制限を超えた効率的な光の誘導に新たな道を提供する。

ABSTRACT

Extraordinary transmission through subwavelength metallic apertures has been extensively studied and demonstrated. At resonance, the coupling between surface plasmons on both surfaces of the metallic film tunnels the photon from the one side to the other through the subwavelength aperture with small transmission efficiency based on the metals dielectric parameters and aperture geometrical dimensions. Here, we report a completely different form of extraordinary transmission, where the two subwavelength complementary apertures when coupled with an optical cavity induce about 100% extraordinary transmission far away from the natural plasmon resonance of the constituent metallic apertures. Such unique cavity phase driven plasmon resonance enables tuning of the extraordinary transmission band across wide spectral range unlike previously reported geometry driven extraordinary transmission.

研究の動機と目的

• 従来のプラズモン的構造におけるサブ波長穴孔の固有の透過非効率性を克服すること。
• 幾何依存のプラズモン共鳴に依存しない、能帯外的光学透過の代替メカニズムを探索すること。
• 補完的穴孔と結合した光学キャビティを用いた可変透過メカニズムを実証すること。
• 穴孔の自然なプラズモン共鳴から離れた波長においても、ほぼ100%の透過効率を達成すること。
• キャビティ位相制御により透過帯域を広くスケーリング可能にすること。

提案手法

• 金属膜に二つの補完的サブ波長穴孔を用い、そのうちの一方を外部の光学キャビティに結合する。
• キャビティ位相工学を用いて共鳴的プラズモン応答を誘発し、透過を増幅する。
• キャビティモードと穴孔界面における表面プラズモン極化子の干渉および結合に依存する。
• 全場電磁気的シミュレーションを用いて透過スペクトルを分析し、メカニズムの妥当性を検証する。
• キャビティ長さや屈折率を変更することで、透過ピークが広いスペクトル範囲にわたってシフトすることを示す。
• キャビティの位相応答を用いて有効なプラズモン共鳴を制御し、内在する穴孔幾何形状から分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学キャビティを用いることで、穴孔の自然なプラズモン共鳴とは無関係に能帯外的透過を誘発できるか？
• RQ2 キャビティ位相が穴孔の内在的共鳴から離れた領域での高効率透過をどのように実現するか？
• RQ3 キャビティパラメータを用いて、どの程度透過帯域をスペクトル的にチューニングできるか？
• RQ4 キャビティモードと表面プラズモンの結合が、どのように透過効率を向上させるか？
• RQ5 幾何的または材料的共鳴に依存せずに、ほぼ100%の透過を達成できるか？

主な発見

• 本システムは、従来のサブ波長穴孔の限界を著しく上回る、ほぼ100%の能帯外的透過効率を達成する。
• 透過ピークは金属穴孔の自然なプラズモン共鳴から大きく離れた波長に現れ、幾何的制限から分離されたことを示す。
• キャビティ長さや屈折率を調整することで、スペクトル全体にわたって透過帯域を広くチューニング可能である。
• メカニズムは、内在する穴孔幾何形状や材料特性ではなく、キャビティ位相誘導プラズモン共鳴によって駆動される。
• シミュレーションにより、キャビティ媒介結合がキャビティモードとプラズモンモードの建設的干渉を通じて透過を増幅することが確認された。
• 本手法により、プラズモン的構造の正確なナノプロセスを要せず、サブ波長穴孔による効率的な光の誘導が可能になる。