ОДНОМОДОВЫЙ ПЛАЗМОННЫЙ ВОЛНОВОД
SINGLE-MODE PLASMON WAVEGUIDE

Изобретение относится к плазмонной интегральной оптике и может быть использовано при конструировании компонентов плазмонных устройств различного назначения.
В настоящее время плазмонная интегральная оптика является быстро развивающейся областью прикладных исследований. В качестве одного из основных элементов - волноводов - предлагается множество различных вариантов структур: периодические линейные цепочки металлических наночастиц (S.A. Maier, M.D. Friedman, Р.Е. Barclay, and О. Painter "Experimental demonstration of fiber-accessible metal nanoparticle plasmon waveguides for planar energy guiding and sensing" // Appl. Phys. Lett. 86, 071103 (2005)), волноводы в виде узкой полоски диэлектрика на двумерной плоской металлической поверхности (Т. Holmgaard, S.I. Bozhevolnyi, L. Markey and A. Dereux "Dielectric-loaded surface plasmon-polariton waveguides at telecommunication wavelengths: Excitation and characterization" // Appl. Phys. Lett. 92, 011124 (2008)), в виде полоски тонкой металлической пленки на диэлектрической подложке, а также А-образные металлические гребни и V-образные канавки в металле (S.I. Bozhevolnyi, V.S. Volkov, Е. Devaux, T.W. Ebbesen "Channel plasmon-polariton guiding by subwavelength metal grooves" // Phys. Rev. Lett. 95, 046802 (2005)).
Волноводы последнего типа привлекательны большой степенью локализации поля мод при сравнительно низких потерях (D.K. Gramotnev and D.F.P. Pile. "Single-mode subwavelength waveguide with channel plasmon-polaritons in triangular grooves on a metal surface" // Appl. Phys. Lett. 85, 6323-6325 (2004)), малыми потерями даже на резких 90° изгибах (V.S. Volkov, S.I. Bozhevolnyi, Е. Devaux, T.W. Ebbesen "Bend loss for channel plasmon polaritons" // Appl. Phys. Lett. 89, 143108 (2006)), простотой изготовления, хорошим теплоотводом за счет большого объема металла в тепловом контакте с волноводом. Также близкими по свойствам к V-образным канавкам являются плазмонные волноводы, представляющие собой прорезь (через всю толщину) в металлической пленке, нанесенной на поверхность диэлектрика (D.F.P. Pile, Т. Ogawa, D.K. Gramotnev, Y. Matsuzaki, K.C. Vernon et al. "Two-dimensionally localized modes of a nanoscale gap plasmon waveguide" // Appl. Phys. Lett. 87, 261114 (2005)).
В патенте "Surface plasmon polariton slit light waveguide" (CN 102590939 (B), ZHENG ZHENG; 18.09.2013) описаны плазмонные волноводы на основе модификации V-образных канавок. Поперечное сечение волноводов представляет собой V-образную канавку в металле, заполненную диэлектриком, внутри которого вдоль оси канавки расположен металлический стержень (прямоугольного либо круглого сечения). Сверху на поверхность металла и заполняющего канавку диэлектрика наносится слой другого диэлектрика. Авторы патента утверждают, что предложенные ими конструкции волноводов позволяют достичь очень большой локализации поля. Однако достижение одномодового режима не обосновано, а, кроме того, волноводы сложны в реализации.
В патенте «Open type surface plasmon polariton slit optical waveguide» (CN 102590940 (B), ZHENG ZHENG; BIAN YUSHENG; ZHAO XIN; LIU LEI; SU YALIN; LIU JIANSHENG, 2013-09-18) описан плазмонный волновод на основе модификации V-образной канавки. Поперечное сечение волновода представляет собой нанесенную на подложку металлическую пленку, в которой вырезана канавка трапециевидного сечения. Такое сечение позволяет снизить уровень потерь при передаче излучения по сравнению с волноводом в виде вертикальной прорези в металлической пленке. Однако волновод является многомодовым.
Наиболее близким по назначению является одномодовый плазмонный волновод, выполненный в виде диэлектрической полоски конечной ширины на плоской поверхности пленки металла, образованной на подложке (Hong-Son Chu, Er-Ping Li, et al., Optical performance of single-mode hybrid dielectric-loaded plasmonic waveguide-based components, Appl. Phys. Lett., 96, 221103, 2010). Однако сечение такого волновода топологически качественно отличается от сечения канавки в металле: локализация в нем поля в боковых направлениях обеспечивается большим эффективным показателем преломления в коре волновода, как и в обычном диэлектрическом волноводе, тогда как в канавке локализация в нем поля в боковых направлениях обеспечивается металлическими боковыми стенками. Данное отличие канавок в металле обеспечивает меньшие излучательные потери на резких изгибах волноводов и меньшее рассеяние на шероховатостях, чем в волноводах в виде диэлектрической полоски на поверхности металлической пленки.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение одномодового режима распространения оптических плазмонов в волноводе на основе V-образной канавки в металлической пленке, что и является техническим результатом изобретения.
m
d
Технический результат достигается тем, что плазмонный волновод, выполненный в виде заполненного диэлектриком протяженного V-образного канала в пленке металла, образованной на подложке, имеет периодически меняющееся по длине волновода поперечное сечение. При этом упомянутое изменение поперечного сечения канавки удовлетворяет условию образования фотонного кристалла с запрещенной зоной для моды, локализованной на краях канавки, с периодом L, определяемым по формуле . Здесь с - скорость света, ν - рабочая частота излучения, ε и ε, соответственно, - диэлектрические проницаемости металла и диэлектрика на рабочей частоте. Волновод имеет ступенчатое изменение поперечного сечения по длине канала, которое образовано совокупностью пазов шириной w=30-100 нм и глубиной h=10-40 нм, угол α между плоскостями боковых стенок V-образной канавки составляет α=15-135°, толщина пленки металла составляет 80-1500 нм, а металл выбран из перечня, включающего золото, серебро, платину и/или их сплавы, подложка выбрана из перечня веществ, включающих двуокись кремния, кремний, слюду и железо-иттриевый гранат, глубина Н канавки составляет 80-1500 нм.
В основе изобретения лежит установленная заявителем возможность создания оптического плазмонного волновода с модой, локализованной на дне канавки, путем периодического изменения поперечного сечения V-образной канавки вдоль ее длины для борьбы с высшими модами, локализованными на краях канавки. Одномодовый режим V-образного волновода важен по нескольким причинам. При интегрировании волновода с усиливающей средой (для компенсации потерь) отсутствие распространяющихся высших мод позволяет более эффективно направлять энергию накачки в базовую моду; в одномодовом волноводе при распространении волнового пакета его дисперсия значительно меньше, чем в многомодовом волноводе, ввиду отсутствия высших мод с волновыми числами, отличными от волнового числа базовой моды; одномодовый режим волновода необходим при создании плазмонных резонаторов и интерферометров.
В зависимости от глубины Н, угла α раствора (угол между плоскостями боковых стенок канавки) V-образные канавки могут иметь одну, несколько или совсем не иметь локализованных на их дне волноводных мод, при этом всегда имеется хотя бы одна мода, локализованная на краях ("берегах") канавки.
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>c</mi><mrow><mn>2</mn><mi>ν</mi><msub><mi>n</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>m</mi></msub><msub><mi>ε</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>ε</mi><mi>m</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
кр
m
d
Патентуемый волновод представляет собой V-образную канавку, сечение которой вдоль длины канала распространения излучения периодически изменяется, например, в виде периодической решетки неглубоких узких пазов (рисок) поперек канавки. Период изменения сечения подбирается так, чтобы образовалась структура типа фотонного кристалла с запрещенной зоной для моды канавки, локализованной на ее краях. То есть период L выбирается равным
где с - скорость света, ν - рабочая частота излучения, n - эффективный показатель преломления моды, локализованной на краях канавки в отсутствие периодической решетки пазов в ее сечении.
, где ε и ε, соответственно, - диэлектрические проницаемости металла и диэлектрика на рабочей частоте.
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>c</mi><mrow><mn>2</mn><mi>ν</mi><msub><mi>n</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>m</mi></msub><msub><mi>ε</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>ε</mi><mi>m</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
кр
m
d
Выполнение самой канавки и нанесение неглубоких узких рисок (глубиной до 40 нм и шириной до 100 нм) поперек оси канавки может осуществляться, например, фокусированным ионным пучком. Возможно также создание канавки с периодическим изменением сечения методом наноимпринтинга, описанным в работе (C.L.C. Smith, В. Desiatov, I. Goykmann, I. Fernandez-Cuesta, U. Levy and A. Kristensen "Plasmonic V-groove waveguides with Bragg grating filters via nanoimprint lithography" // Optics Express 20, 5696 (2012)). Необходимо отметить, что в отличие от пазов на боковых стенках канавки, описанных в указанной статье, которые используются для создания брэгговского фильтра для базовой моды канавки, в патентуемом случае период L изменения поперечного сечения канавки устанавливают таким образом, чтобы данная модуляция выступала в роли фотонного кристалла для моды, локализованной на краях канавки. То есть период L выбирается равным
где с - скорость света, ν - рабочая частота излучения, n - эффективный показатель преломления моды, локализованной на краях канавки в случае неизменного сечения дна канавки.
, где ε и ε, соответственно, - диэлектрические проницаемости металла и диэлектрика на рабочей частоте.
Существо изобретения поясняется на чертежах, где на:
фиг. 1-3 показана структура одномодового плазмонного волновода, в поперечном сечении; в продольном сечении: разрез по А-А; вид сверху: разрез по Б-Б, соответственно;
eff
eff
eff
фиг. 4-6 - результаты расчетов распределения модуля электрического поля для различных мод канавки на примере канавки с глубиной Н=1170 нм, углом между боковыми стенками α=15°, при длине волны излучения в вакууме λ=633 нм. На фиг. 4 - распределение поля базовой моды канавки с эффективным показателем преломления n=1.15; на фиг. 5 - распределение поля второй моды канавки с n=1.106; на фиг. 6 - третьей моды канавки с n=1.062;
фиг. 7 - распределение модуля электрического поля второй моды канавки (возбужденной на левой границе расчетной области) вдоль оси канавки (ориентация канавки та же, что и на фиг. 2).
m
d
На фиг. 1-3 показана структура патентуемого волновода. На подложке 10 нанесена пленка 20 металла толщиной 80-1500 нм, в которой выполнена V-образная канавка 30 с углом α между плоскостями боковых стенок, краями 31 и дном 32 (фиг. 1, 3). Канавка 30 и пленка 20 покрыты слоем 40 диэлектрического материала (в частном случае граничит с вакуумом). V-образная канавка 30 имеет глубину Н=80-1500 нм, угол α=15-135° между плоскостями боковых стенок (фиг. 1, 2). Канавка 30 имеет периодическое по длине ступенчатое изменение поперечного сечения, например, в виде пазов 50 глубиной h=10-40 нм вдоль всей боковой стенки канавки, включая дно 32 канавки. Период L изменения сечения (период, с которым выполнены пазы) удовлетворяет условию , где с - скорость света, ν - рабочая частота плазмонного излучения, ε и ε, соответственно, - диэлектрические проницаемости металла и диэлектрика на рабочей частоте. Ширина w пазов находится в диапазоне w=30-100 нм (фиг. 3).
bott
w
Au
eff1
eff2
eff3
Пример. Осуществляется подавление одной из волноводных мод V-образной канавки с помощью периодического по длине канавки изменения поперечного сечения канавки. Данное периодическое изменение поперечного сечения представляет собой одномерный плазмонный фотонный кристалл с запрещенной зоной для подавляемой моды. Были выбраны следующие параметры канавки: Н=1170 нм, α=15°, радиус закругления поверхности металла на дне канавки r=35 нм, радиус закругления поверхности металла на краях канавки r=5 нм. Канавка 30 вырезана в золотой пленке 20, в качестве диэлектрика 40 - вакуум. Длина волны излучения в вакууме λ=633 нм (коэффициент преломления золота n=3.43i взят близким к приведенному в источнике (Р.В. Johnson, R.W. Christy "Optical constants of the noble metals" // Phys. Rev. В 6, 4370-4379 (1972)), однако с нулевой действительной частью, чтобы можно было наглядно показать наличие запрещенной зоны для одной из мод по ее затуханию). Канавка 30 с вышеуказанными параметрами имеет три волноводные моды, с эффективными показателями преломления n=1.15, n=1.106, n=1.062. Первые две из них локализованы на дне 32 канавки, третья - на краях 31 канавки.
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>λ</mi><mrow><mn>2</mn><msub><mi>n</mi><mrow><mi>e</mi><mi>f</mi><mi>f</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>286.2</mn><mtext> нм</mtext></mrow>
Результаты численного моделирования распределения модуля электрического поля данных мод по сечению канавки представлены на фиг. 4-6. Подавление распространения, например, второй моды возможно путем нанесения на поверхность металла одномерной решетки рисок, перпендикулярных канавке, с периодом
.
eff1
На фиг. 4 показано распределение модуля электрического поля базовой моды канавки с n=1.15 Видно, что поле моды локализовано преимущественно в нижней области 61 канавки, частично в средней области канавки 62 и, частично, в области 63 у краев 31 канавки.
eff2
На фиг. 5 показано распределение модуля электрического поля второй моды канавки с n=1.106. Видно, что существует две области преимущественной локализации поля: у дна канавки 71 и в верхней части канавки у ее краев 73. При этом в середине канавки 72 наблюдается минимум величины поля.
eff3
На фиг. 6 показано распределение модуля электрического поля третьей моды канавки с n=1.062. Видно, что поле моды локализовано исключительно в верхней части канавки вблизи ее краев 81 и существенно меньше в центре и у дна канавки.
На фиг. 7 изображено распределение модуля электрического поля вдоль канавки с вышеуказанными параметрами (взятой в качестве примера), чье сечение модулировано с периодом L=286.2 нм. Ориентация канавки та же, что и на фиг. 2. На левой границе 91 расчетной области возбуждается вторая мода канавки. Более светлые области обозначают большие амплитуды электрического поля. Видно затухание амплитуды блоховской волны слева направо, связанное с наличием запрещенной зоны для второй моды канавки. Вблизи правой границы 92 расчетной области светлые области, отвечающие большой амплитуде поля, отсутствуют.
Таким образом, представленные материалы позволяют сделать вывод о достижении технического результата - возможности создания одномодового волновода на основе V-образной канавки с модой, локализованной на дне канавки, при этом волноводная мода, локализованная на краях канавки, будет отсутствовать. Указанный технический результат достигается за счет создания одномерного фотонного кристалла с запрещенной зоной для моды канавки, локализованной на ее краях.