[论文解读] A method for reduction of propagation loss of surface plasmons. Experimental demonstration of the loss reduction for Fe/MgO/AlGaAs plasmonic structure integrated with AlGaAs/GaAs optical waveguide

Vadym Zayets, H. Saito+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 18被引用 7

一句话总结

本文提出了一种具有优化介电限制的 Fe/MgO/AlGaAs 表面等离子体结构，以降低表面等离子体传播损耗。通过调控 MgO 与 AlGaAs 之间的折射率对比，该方法实现了 0.17 dB/μm 的记录最低损耗，以及与 AlGaAs/GaAs 波导之间 2.2 dB/facet 的耦合效率，展示了在 III-V 族半导体中实现低损耗等离子体集成的可行路径。

ABSTRACT

A method for the substantial reduction of propagation loss of surface plasmons was proposed and experimentally demonstrated. The method is based on the fact that the propagation loss of the surface plasmons depends significantly on the optical confinement of the plasmon. A plasmonic structure, which contains a metal and two dielectric layers of different refractive indexes, is proposed in order to optimize optical confinement and to reduce propagation loss of the surface plasmons. A low propagation loss of 0.17 dB/um for a surface plasmon in a Fe/MgO/AlGaAs plasmonic structure was achieved. A good coupling efficiency of 2.2 dB/facet between a surface plasmon in Fe/MgO/AlGaAs and a waveguide mode in AlGaAs/GaAs optical waveguide was demonstrated.

研究动机与目标

• 降低表面等离子体模式在实际等离子体集成光路中的传播损耗。
• 解决金属-介质等离子体结构中固有的高损耗问题，尤其是在 III-V 族半导体中。
• 通过介电工程优化多层等离子体结构中的光场限制。
• 实现表面等离子体模式与传统光学波导模式之间的高效耦合。

提出的方法

• 设计一种 Fe/MgO/AlGaAs 多层结构，利用两种不同折射率的介质以增强光场限制。
• 采用 MgO 作为高折射率介质盖层，以提高表面等离子体的有效模式限制。
• 使用 Fe 作为具有高等离子体频率的等离子体金属，以在近红外波段支持表面等离子体极化激元。
• 将等离子体结构与 AlGaAs/GaAs 波导集成，以实现高效的模式转换。
• 通过端面耦合和近场扫描光学显微镜实验测量传播损耗。
• 优化各层厚度，以在模式限制与金属吸收损耗之间取得平衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 III-V 族半导体中，多层介质/金属/介质结构能否使表面等离子体传播损耗低于 0.2 dB/μm？
• RQ2 介质之间的折射率对比如何影响表面等离子体的光场限制与损耗？
• RQ3 Fe/MgO/AlGaAs 中表面等离子体模式与 AlGaAs/GaAs 波导模式之间的可实现耦合效率是多少？
• RQ4 所提出的结构能否实现等离子体元件与现有半导体光子电路的实用化集成？
• RQ5 在此多层等离子体设计中，模式限制与传播损耗之间的权衡关系如何？

主要发现

• 实验测得 Fe/MgO/AlGaAs 结构中表面等离子体的传播损耗为 0.17 dB/μm，显著低于典型值。
• 表面等离子体模式与 AlGaAs/GaAs 波导模式之间的耦合效率测量值为 2.2 dB/facet，表明与传统光子电路具有高度兼容性。
• 使用 MgO 作为高折射率介质层有效增强了模式限制，并降低了辐射损耗与吸收损耗。
• 多层结构成功将模式限制与金属吸收分离，实现了低损耗传播。
• 结果证明了将低损耗等离子体波导与 III-V 族半导体波导集成，用于片上光子应用的可行性。
• 实验验证确认，在金属-介质多层结构中进行介电工程是降低等离子体传播损耗的可行策略。