[논문 리뷰] Dielectric nanoantenna as an efficient and ultracompact demultiplexer for surface waves

Ivan Sinev, Andrey Bogdanov외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 22.

Plasmonic and Surface Plasmon Research인용 수 34

한 줄 요약

이 논문은 금박상에서 표면 플라즈몬 폴리톤(SPPs)의 효율적이고 방향성 있는 자극 및 스펙트럼 디멀티plex링을 가능하게 하는 초소형, 리소그래피가 필요 없는 유전체 실리콘 나노구를 제안한다. 전기 및 자화 이중극 모멘트 간의 간섭을 이용하여 50 nm 미만의 파장 차이에서 서로 다른 SPP 전파 방향을 구현하며, 전방 대 후방 비율이 거의 100:1에 이르고, 나노구의 직경 조절을 통해 광대역으로 조절 가능한 특성을 갖는다.

ABSTRACT

Nanoantennas for highly efficient excitation and manipulation of surface waves at nanoscale are key elements of compact photonic circuits. However, previously implemented designs employ plasmonic nanoantennas with high Ohmic losses, relatively low spectral resolution, and complicated lithographically made architectures. Here we propose an ultracompact and simple dielectric nanoantenna (silicon nanosphere) allowing for both directional launching of surface plasmon polaritons on a thin gold film and their demultiplexing with a high spectral resolution. We show experimentally that mutual interference of magnetic and electric dipole moments supported by the dielectric nanoantenna results in opposite propagation of the excited surface waves whose wavelengths differ by less than 50 nm in the optical range. Broadband reconfigurability of the nanoantennas operational range is achieved simply by varying the diameter of the silicon sphere. Moreover, despite subwavelength size ($

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 회로에서 표면 파동 자극 및 루팅을 위한 플라스모닉 나노안테나의 초소형, 저손실 대체재를 개발하기 위해.
• 기존 설계의 한계, 즉 높은 옴 손실, 열악한 스펙트럼 해상도, 복잡한 리소그래피 공정을 극복하기 위해.
• 표면 파동의 스펙트럼 디멀티플렉싱을 가능하게 하는 단순하고 확장 가능하며 효율적인 유전체 나노안테나를 구현하기 위해.
• 실리콘 나노구의 기하학적 구조 제어를 통해 디멀티플렉싱 기능의 광대역 조절을 달성하기 위해.
• 실험적으로 단일 유전체 나노안테나가 좁은 스펙트럼 대역 내에서 전방 및 후방 SPP 자극 간의 공진 스위칭을 지원할 수 있음을 검증하기 위해.

제안 방법

• 250–310 nm 직경의 단일 실리콘 나노구를 사용하여 p-편광된 빛의 경사입사에 의해 표면 플라즈몬 폴리톤(SPPs)을 자극한다.
• 나노구 내에서 유도된 전기 및 자화 이중극 모멘트 간의 상호 간섭을 활용하여 SPP의 방향성 제어 및 스펙트럼 디멀티플렉싱을 달성한다.
• 650–1100 nm 범위에서 SPP의 직접성 패턴을 촬영하기 위해 초광역 백색광 원천과 음향-광학 조절 필터(AOTF)를 사용한 누출 방사율 현미경을 적용한다.
• 누출 방사율의 파면 영상 촬영을 통해 SPP의 각도 스펙트럼을 재구성하고, 이중 달걀형 강도 패턴을 식별하여 방향성 방출을 확인한다.
• 파장 250–310 nm 범위에서 피코초 레이저 에이블레이션을 통해 실리콘 나노구를 제작하고, 전자빔 보조 나노조작 기술을 사용해 40 nm 두께의 금박에 이식함으로써 부가적 산란을 최소화한다.
• COMSOL Multiphysics를 사용한 전장 수치 시뮬레이션을 수행하여 SPP 자극 효율을 모델링하고 실험 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 유전체 나노구가 얕은 금박상에서 표면 플라즈몬 폴리톤(SPPs)의 효율적이고 방향성 있는 자극을 지원할 수 있는가?
• RQ2 고유성율 유전체 나노입자 내 전기 및 자화 이중극 모멘트 간의 간섭이 SPP 전파 방향을 어떻게 제어하는가?
• RQ3 서브파장 척도의 리소그래피가 필요 없는 나노안테나로 SPP의 스펙트럼 디멀티플렉싱을 달성할 수 있는가?
• RQ4 이러한 시스템에서 SPP 자극의 스펙트럼 해상도와 직접성은 무엇이며, 나노구의 직경 변화에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ5 이 장치는 광역 스펙트럼 범위에서 전방 및 후방 SPP 방출 간의 스위칭을 조절 가능한가?

주요 결과

• 유전체 실리콘 나노구는 50 nm 스펙트럼 대역 내에서 SPP 자극 효율의 전방 대 후방 비율이 거의 100:1에 이르며, 강력한 직접성을 나타낸다.
• 전기 및 자화 이중극 모멘트의 간섭을 통해 SPP의 스펙트럼 디멀티플렉싱이 실현되었으며, 서로 다른 전파 방향 간의 해상도가 50 nm 미만이다.
• 다른 파장에서 SPP 자극의 전방 및 후방 간 공진 스위칭이 가능하며, 이는 입사 각도가 25° 이상일 때도 발생한다.
• 유전체 나노구의 강한 자화 이중극 반응으로 인해 금속 나노구보다 SPP 자극 효율이 현저히 높다.
• 나노구의 직경을 250에서 310 nm로 변화시킴으로써 장치의 작동 대역폭과 공진 파장이 광역(가시광선에서 가까운 적외선 범위)으로 넓게 조절 가능하다.
• 피코초 레이저 에이블레이션과 전자빔 보조 나노조작 기술을 사용한 제조 공정은 확장 가능하고 저비용이며, 리소그래피 없이 정밀한 배치를 가능하게 한다.