[論文レビュー] Dielectric nanoantenna as an efficient and ultracompact demultiplexer for surface waves

Ivan Sinev, Andrey Bogdanov+8 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2017

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用数 34

ひとこと要約

本論文は、リソグラフィーを必要としない超コンactなナノアンテナとして、誘電体シリコンナノスフィアを提案し、金膜上での表面プラズモン極性波（SPP）の効率的かつ方向性のある励起とスペクトルデマルチプレクシングを実現する。電気双極子モーメントと磁気双極子モーメントの干渉を活用することで、50 nm未満の波長差においてSPPの伝搬方向を逆転させることができ、前方対後方比はほぼ100:1に達し、ナノスフィアの直径制御により広帯域チューニングが可能となる。

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 ($

研究の動機と目的

• 集積フォトニクス回路における表面波の励起とルーティングに、コンパクトで低損失なプラズモニックナノアンテナの代替手段を開発すること。
• 従来の設計に見られる高オーム損失、スペクトル分解能の低さ、リソグラフィーによる複雑なプロセスといった制限を克服すること。
• 方向性が高く、スペクトルデマルチプレクシングが可能な単純でスケーラブルかつ効率的な誘電体ナノアンテナを実証すること。
• シリコンナノスフィアの直径を幾何学的に制御することで、デマルチプレクシング機能の広帯域チューニングを達成すること。
• 実験的に、1つの誘電体ナノアンテナが狭帯域スペクトル内において前向きと後向きのSPP励起の間で共鳴スイッチングをサポートできることを検証すること。

提案手法

• p偏光光の斜入射を用いて、直径250–310 nmの単一のシリコンナノスフィアを誘電体ナノアンテナとして用い、金膜上での表面プラズモン極性波（SPP）の励起を実現する。
• ナノスフィア内に誘起される電気双極子モーメントと磁気双極子モーメントの相互干渉を活用し、SPPの方向性制御とスペクトルデマルチプレクシングを実現する。
• 650–1100 nmの波長範囲でSPPの直接性パターンを撮影するために、スーパコンtinuumホワイトライト光源と音響光可変フィルタ（AOTF）を併用したリークレージョン放射顕微鏡を用いる。
• リークレージョン放射のフーリエ平面像を用いてSPPの角度スペクトルを再構成し、二重セレブレント型強度パターンを特定することで、方向性放射を同定する。
• フェムト秒レーザー焼却と電子線補助ナノマニピュレーションを用いてシリコンナノスフィアを製造し、寄生的散乱を最小限に抑えた40 nmの金膜上に配置する。
• SPP励起効率のモデル化と実験結果の妥当性検証のために、COMSOL Multiphysicsを用いたフル波動数値シミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一の誘電体ナノスフィアは、薄い金膜上での表面プラズモン極性波（SPP）の効率的かつ方向性のある励起を可能にするか？
• RQ2 高屈折率誘電体ナノ粒子内の電気双極子モーメントと磁気双極子モーメントの干渉は、SPP伝搬方向をどのように制御するか？
• RQ3 サブ波長スケールでリソグラフィーを不要としたナノアンテナでSPPのスペクトルデマルチプレクシングが達成可能か？
• RQ4 このようなシステムにおけるSPP励起のスペクトル分解能と直接性は何か？また、ナノスフィアの直径に応じてどのように変化するか？
• RQ5 このデバイスは広帯域で動作可能であり、前向きと後向きのSPP放射の間でスイッチングが可能か？

主な発見

• 誘電体シリコンナノスフィアは、50 nmのスペクトル帯域内でSPP励起効率の前方対後方比がほぼ100:1に達し、強い直接性を示している。
• 電気双極子モーメントと磁気双極子モーメントの干渉によって、逆方向の伝搬方向におけるSPPのスペクトルデマルチプレクシングが、50 nm未満の分解能で実証された。
• 異なる波長で前向きと後向きのSPP励起の間で共鳴スイッチングが可能であり、入射角が25°程度の低角度でも発生する。
• 誘電体ナノスフィアが強い磁気双極子応答を示すため、金属ナノスフィアに比べてSPP励起効率が顕著に向上している。
• ナノスフィアの直径を250から310 nmに変化させることで、動作帯域と共鳴波長を広帯域（可視光から近赤外）にチューニング可能である。
• 製造プロセスはスケーラブルで低コストであり、フェムト秒レーザー焼却と電子線補助ナノマニピュレーションを用いることで、リソグラフィーを用いずに高精度な配置が可能である。