[論文レビュー] Polarization effects in metallic films perforated with a bidimensional array of subwavelength rectangular holes

Michaël Sarrazin, J. P. Vigneron|CERN Bulletin|Nov 4, 2003

Optical Coatings and Gratings被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、2次元のサブ波長の長方形穴を有する金属膜が、円形穴とは異なり、表面プラズモンへの異方性結合に起因して偏光依存性のあるゼロ次モード透過を示すことを示している。この効果は、穴の幾何的非対称性が回転対称性を破ることに起因し、広帯域の偏光子として機能可能であり、透過が向上した新たなプラズモン偏光子のプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

For several years, periodical arrays of subwavelength cylindrical holes in thin metallic layers have taken a crucial importance in the context of the results reported by Ebbesen et al, on particularly attractive optical transmission experiments. It had been underlined that the zeroth order transmission pattern does not depend on the polarization of the incident light at normal incidence. In the present paper, we show that it is not the case for rectangular holes, by contrast to the case of circular holes. In this context, we suggest a new kind of polarizer that present the advantages brought by the original Ebbesen devices. Assuming the recent technological interest for these kinds of metallic gratings, such a kind of polarizer could lead to new technological applications.

研究の動機と目的

• サブ波長の長方形穴アレイを有する金属膜における偏光依存性光学透過を調査すること。
• ゼロ次モード透過のパターンが入射光の偏光に依存するかどうかを、円形穴アレイと対比して明らかにすること。
• 表面プラズモン共鳴と異方性回折を活用することで、このような構造が効率的で広帯域の偏光子として機能できるかを検討すること。
• 高透過性と偏光制御を併せ持つプラズモン偏光子の設計の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 周期的構造におけるマクスウェル方程式を解くために、結合モード法と散乱行列（S行列）形式を組み合わせた数値シミュレーション。
• 横方向（x, y）における誘電率および電磁界をフーリエ級数展開で表現。
• z軸に沿った薄い層の積層構造としてシステムをモデル化し、S行列を用いた伝搬および合成により、全透過および全反射振幅を計算。
• 異なる入射角および波長におけるs偏光およびp偏光の透過振幅を計算。
• 1000–1500 nm範囲におけるクロムおよび融石ガラス基板の実験的測定値に基づく誘電率を用いる。
• 収束性を確認するため、25個の逆格子ベクトルで十分な収束が得られ、既存の手法（例：FDTD、KKR）と結果を照合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元のサブ波長長方形穴アレイを通じたゼロ次モード透過は、入射光の偏光に依存するか？
• RQ2 長方形穴の異方的幾何的形状が、円形穴と比較して表面プラズモン結合および透過特性に与える影響は何か？
• RQ3 このような構造は、Ebbesen型デバイスの高透過特性を維持しつつ、効率的な偏光子として機能できるか？
• RQ4 xおよびy偏光成分間の位相差（位相ずれ）δが、透過光の偏光状態を決定する役割は何か？
• RQ5 透過振幅および偏光状態は、入射角および波長にどのように依存するか？

主な発見

• 長方形穴アレイを通じたゼロ次モード透過は、円形穴アレイとは異なり、偏光依存的である。特に垂直入射では円形穴では偏光に依存しないのに対し、長方形穴では依存する。
• 長方形穴の長軸に沿った偏光（例：θ = 60°）の透過が短軸（θ = 30°）に比べて高く、1300 nmで透過率が20%向上している。
• 中間の入射角（例：θ = 45°）では、透過電場が楕円偏光を示しており、xおよびy偏光成分間に位相差が生じていることを示している。
• 透過したxおよびy成分間の位相ずれδは、波長および入射角に依存し、表面プラズモン共鳴波長付近でピークを示すが、単純なモデルでは明示的に捉えられていない。
• 数値結果は、非対称結合に基づく単純な解析モデルと定性的に一致しており、多体系散乱および表面プラズモン寄与の複雑さにもかかわらず妥当である。
• 本系は高透過性と偏光フィルタリング機能を併せ持つため、性能向上が期待されるプラズモン偏光子への応用が有望である。