[논문 리뷰] Modular Hybrid Plasmonic Integrated Circuit -- Rotation, Nanofocusing and Nonlinear Enhancement

Alessandro Tuniz, Oliver Bickerton외 6명|Figshare|2019. 08. 30.

Photonic and Optical Devices인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 표준 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 웨이브가이드에서 깊은 마이크로파장 이하의 플라스모닉 모드로 효율적인 커플링을 가능하게 하는 모듈러 하이브리드 플라스모닉 통합 회로를 제시한다. 후공정 공정을 통해 플라스모닉 라디에이터와 나노포커서를 통합함으로써 1320 nm에서 50 nm² 모드 면적에서 >200×의 강도 증폭을 달성한다. 실험적으로 비선형 제2차 하모닉 생성을 입증하여, 처음으로 완전히 통합된, PIC 호환성 있는 비선형 플라스모닉 나노소스를 실현한다.

ABSTRACT

We introduce a modular approach for efficiently interfacing photonic integrated circuits with deep-sub-wavelength hybrid plasmonic functionality. We demonstrate that an off-the-shelf silicon-on-insulator waveguide can be post-processed into an integrated hybrid plasmonic circuit by evaporating a silica and gold nanolayer. The circuit consists of a plasmonic rotator and a nanofocusser module, which together result in nano-scale, nonlinear wavelength conversion. We experimentally characterize each module, and demonstrate an intensity enhancement of $>200$ in a calculated mode area of $50\,{ m nm}^2$ at $λ= 1320\,{ m nm}$ using second harmonic generation. This work opens the door to customized plasmonic functionalities on industry-standard waveguides, bridging conventional integrated photonic circuits with hybrid plasmonic devices. This approach promises convenient access to nanometre-scale quantum information processing, nonlinear plasmonics, and single-molecule sensing.

연구 동기 및 목표

• 모듈러이고 후공정 기반의 접근을 통해 기존 광학 통합 회로(PIC)와 깊은 마이크로파장 이하의 플라스모닉 기능을 통합한다.
• 모드 프로파일 불일치와 높은 손실로 인해 표준 SOI 웨이브가이드와 플라스모닉 나노구조 간의 효율적 커플링이 어려운 문제를 해결한다.
• 나노스케일에서 비선형 파장 변환을 가능하게 하는 완전히 통합된 칩 기반 시스템을 실현한다.
• 양자 광학, 단일 분자 센싱, 비선형 광학 등 응용 분야에서 실용적이고 확장 가능한 나노스케일 필드 강도 증폭을 가능하게 한다.

제안 방법

• 전자빔 리지오그래피를 이용해 후공정 공정으로 표준 SOI 웨이브가이드를 가공하여 플라스모닉 구조를 정의하고, 20 nm 규소산화물과 50 nm 금의 이중층을 열증착한다.
• 고효율의 전단 모드를 수평자기 모드로 변환하기 위해 플라스모닉 라디에이터 모듈을 구현한다.
• TM 플라스모닉 모드를 50 nm² 모드 면적으로 압축하여 국소 강도를 증폭하는 나노포커서 모듈을 통합한다.
• 기본 PIC 구성 요소와의 완전한 칩 수준 통합을 위해, 자유공간 가우시안 빛을 SOI 웨이브가이드로 커플링하는 격자 커플러를 사용한다.
• 비선형 증폭 정도를 정량화하기 위해 제2차 하모닉 생성(SHG)을 특성화하며, 영상 스펙트럼계수계와 NIR/VIS 카메라를 통해 검출한다.
• 성능 검증 및 설계 매개변수 최적화를 위해 커플링 효율(14%)과 전파 손실(0.12 dB/μm)을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모듈러이고 후공정 기반의 접근이 표준 SOI 광학 통합 회로와 하이브리드 플라스모닉 구성 요소를 효율적으로 칩 내 통합할 수 있는가?
• RQ2 모드 변환기와 나노포커서를 조합했을 때 하이브리드 플라스모닉 회로에서 달성 가능한 강도 증폭과 모드 봉쇄 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 완전히 통합된, PIC 호환성 있는 플라스모닉 회로에서 비선형 광학 효과, 예를 들어 제2차 하모닉 생성은 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 기하학적 매개변수, 예를 들어 금 두께나 테이퍼 설계와 같은 요소에 따라 성능은 어떻게 변화하며, 향후 개선 가능성은 무엇인가?

주요 결과

• 플라스모닉 라디에이터는 측정된 커플링 효율 14%로 효과적인 TE-에서-TM 모드 변환을 달성한다.
• 하이브리드 플라스모닉 나노포커서는 1320 nm에서 50 nm² 면적으로 모드를 압축하여 >200×의 강도 증폭을 유도한다.
• 제2차 하모닉 생성(SHG)이 실험적으로 관측되어 비선형 증폭과 회로의 기능성을 확인한다.
• 측정된 SOI 웨이브가이드의 전파 손실은 0.12 dB/μm로, 플라스모닉 통합 이전에 양호한 광학 품질을 나타낸다.
• 이론적 분석에 따르면 금 두께를 증가시키거나 다중 단계 테이퍼를 사용할 경우 TE-에서-TM 변환 효율을 최대 9배 향상시킬 수 있으며, 이는 비선형 효율을 80배 향상시킬 수 있다.
• 설계는 확장 가능하며 기존 PIC 기술과 호환되어 향후 보우티 앤티나나 비선형 물질과 같은 추가 모듈의 통합이 가능하다.