[论文解读] 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 34

一句话总结

本文提出了一种介电硅纳米球，作为无光刻、超紧凑的纳米天线，可在金膜上实现表面等离子体极化激元（SPPs）的高效、定向激发及光谱解复用。通过利用电偶极矩与磁偶极矩之间的干涉，该器件在波长差小于50 nm时实现SPP传播方向相反，前向-后向功率比接近100:1，并可通过调节球体直径实现宽带可调谐性。

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 ($

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、低损耗的等离子体纳米天线替代方案，用于集成光子电路中的表面波激发与导引。
• 克服现有设计的局限性，包括高欧姆损耗、光谱分辨率差以及复杂的光刻制造工艺。
• 展示一种简单、可扩展且高效的介电纳米天线，实现高方向性的表面波光谱解复用。
• 通过调节硅纳米球直径实现解复用功能的宽带可调谐性。
• 实验验证单个介电纳米天线可在窄带光谱范围内实现前向与后向SPP激发之间的谐振切换。

提出的方法

• 利用直径为250–310 nm的单个硅纳米球作为介电纳米天线，通过斜入射的p偏振光激发表面等离子体极化激元（SPPs）。
• 利用纳米球中感应电偶极矩与磁偶极矩之间的相互干涉，控制SPP方向性并实现光谱解复用。
• 采用漏射辐射显微术，结合超连续谱白光光源与声光可调滤波器（AOTF），在650–1100 nm波段成像SPP方向性分布。
• 通过漏射辐射的傅里叶平面成像重构SPP的角谱，识别出双新月形强度分布，表明具有定向发射特性。
• 采用飞秒激光剥离法制造硅纳米球，并通过电子束辅助纳米操作技术将其转移至40 nm厚金膜上，以最大限度减少寄生散射。
• 使用COMSOL Multiphysics进行全波数值模拟，以建模SPP激发效率并验证实验结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个介电纳米球是否能实现对薄金膜上表面等离子体极化激元（SPPs）的高效且定向激发？
• RQ2 在高折射率介电纳米颗粒中，电偶极矩与磁偶极矩之间的干涉如何调控SPP传播方向？
• RQ3 是否能通过亚波长尺度、无光刻的纳米天线实现SPP的光谱解复用？
• RQ4 该系统中SPP激发的光谱分辨率与方向性如何？其随纳米球直径的变化规律是什么？
• RQ5 该器件是否可在宽光谱范围内工作，并通过调节实现前向与后向SPP发射之间的可调谐切换？

主要发现

• 在50 nm光谱带宽内，介电硅纳米球实现了接近100:1的前向-后向SPP激发效率比，表明具有极强的方向性。
• 通过电偶极矩与磁偶极矩的干涉，实现了SPP光谱解复用，分辨率低于50 nm，且在相反传播方向上实现分离。
• 该器件可在不同波长下实现前向与后向SPP激发之间的谐振切换，切换发生的入射角低至25°。
• 由于介电纳米球中强烈的磁偶极响应，其SPP激发效率显著高于金属纳米球。
• 通过调节纳米球直径从250 nm至310 nm，可实现从可见光到近红外波段的宽范围操作带宽与谐振波长调谐。
• 该制造工艺具有可扩展性且成本低廉，采用飞秒激光剥离与电子束辅助纳米操作技术，无需光刻即可实现精确定位。