[論文レビュー] Inverse design couplers for the excitation of odd plasmonic pairs in thin semiconducting films

Marius Puplauskis, Ivan A. Pshenichnyuk|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2021

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 34被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、マクスウェルソルバーを用いた勾配降下最適化により、超薄膜（5 nm）にドーピングされた酸化インジウムスズ酸化物（ITO）膜における奇数モード表面プラズモニック対を効率的に励振する逆設計型グレーティングカップラーを提案する。従来のグレーティングと比較して、結合効率が5 dB以上向上し、半導体ベースのアクティブな光エレクトロニクス向けに、チューナブルで高Qファクターのプラズモンモードの実験的検証を可能にする。

ABSTRACT

A set of grating couplers that convert plane waves into odd pairs of plasmons supported by extremely thin layers of doped indium tin oxide is designed. The inverse design approach is implemented to improve the efficiency of ordinary periodical couplers significantly. The optimization code based on the gradient descent method and direct Maxwell solver is designed in Matlab. Three models with different optimization levels are compared and discussed. The results of calculations are prepared for subsequent experimental verification. Considered odd plasmonic pairs represent an example of high quality modes tunable using a field effect. They are potentially applicable for the implementation in various active electro-optical devices and lead the way to fully semiconductor based plasmonics.

研究の動機と目的

• 従来の周期的グレーティングカップラーでは、超薄膜にドーピングされたITO膜における奇数モード表面プラズモン対の励振が非効率であるという課題に取り組む。
• 半導体ベースのプラズモニック系におけるチューナブルで高品質因子の表面プラズモン極性波（SPP）の実験的実現を可能にする。
• 奇数モード表面プラズモン対への最大結合効率を実現するためのグレーティング幾何形状を最適化するための逆設計フレームワークを開発する。
• 標準的なリソグラフィー技術を用いて製造可能で、実験的に実現可能なカップラー設計を提供する。

提案手法

• 勾配降下に基づく逆設計アルゴリズムを実装し、最大結合効率を達成するためのグレーティング幾何形状を最適化する。
• MATLABで実装されたフル波動マクスウェルソルバー（MaxwellFDFD）を用いて、電磁界を計算し、最適化のための勾配を算出する。
• 収束性と製造可能性の向上のため、選択則およびストロークマージングハンドラを適用する。
• 三つの最適化モデル（1層構造：グレーティングのみ、2層構造：グレーティングと下地層、3層構造：グレーティング、中間層、基板）を比較し、トレードオフを評価する。
• 5 nmのドーピングされたITO層（10 nmのHfO2絶縁層で挟まれた構造）が支持する奇数モード表面プラズモン対への結合効率を最適化する。
• 物理的制約をガイドするため、分散関係 β² = ω²/c²(εcl + η⁴/(2η² + 4ξ²)) を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の周期的グレーティングと比較して、逆設計により、超薄膜にドーピングされたITO膜における平面波の奇数モード表面プラズモン対への結合効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 最適化に複数層（例えば、グレーティング、中間層、基板）を含めることで、結合効率と製造可能性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 1層構造のグレーティングと比較して、3層構造の最適化を行う際の、結合効率と製造複雑性のトレードオフは何か？
• RQ4 最適化されたカップラー設計は、標準的なナノプロセス技術を用いて実験的に実現可能であり、その後にチューナブルな表面プラズモン極性波モードの検証が可能か？

主な発見

• 1層構造の逆設計カップラーは、定常周期グレーティングと比較して、5 dB以上の結合効率の向上を達成した。
• 3層構造の最適化カップラーは、1層構造の設計よりもピーク結合効率で約0.75 dB高いが、著しく高い製造複雑性を伴う。
• 絶縁層（HfO2）の最適化による利得はわずか0.3 dBにとどまり、追加の製造コストに比べて利益は限定的であることが示唆された。
• 逆設計アルゴリズムは、標準的な計算ハードウェア上でも効果的に収束し、最適化されたカップラーの実用的実装を可能にした。
• 最適化されたカップラー設計は、標準的なリソグラフィー技術を用いて実験的に実現可能であり、その後にチューナブルなFSPPモードの検証を支援する。
• 結果から、薄型ITO膜における奇数モード表面プラズモン対が逆設計カップラーにより効率的に励振可能であることが確認され、将来的なアクティブなエレクトロオプティカルデバイスへの応用が可能となる。