CC BY
19
УДК 006
ПАССИВНЫЙ РЕТРАНСЛЯТОР ПОВЕРХНОСТНЫХ ПЛАЗМОН-ПОЛЯРИТОНОВ
Олег Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]
Игорь Владиленович Минин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, профессор кафедры метрологии и технологии оптического производства, тел. (383)361-07-45, е-mail: [email protected]
В данной работе представлены результаты разработки пассивного ретранслятора поверхностных плазмон-поляритонных волн (ППП) на основе периодически расположенных трехмерных диэлектрических кубоидов на металлической пленке. Показано, что предложенная структура позволяет без дополнительного подвода энергии увеличить расстояние распространения ППП волн более чем в два раза.
Ключевые слова: пассивный ретранслятор, поверхностные плазмон-поляритонные волны, фотонная струя.
PASSIVE REPEATER OF SURFACE PLASMON POLARITONS
Oleg V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Prof. of Department Metrology and Technology of Optical Production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
Igor V. Minin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., D. Sc., Prof. of Department Metrology and Technology of Optical Production, tel. (383)361-07-45, e-mail: [email protected]
This paper presents the results of the development of passive repeater surface plasmon-polariton waves based on periodically spaced three-dimensional dielectric cuboids on the metal film. It has been shown that the proposed structure allows to increase the distance of propagation-of SPP waves more than twice without any additional power supply.
Key words: passive repeater, surface plasmon-polaritons, photonic jet.
Быстродействие современных вычислительных средств определяется сегодня скоростью обмена данными между ядрами. Однако электрические металлические межчиповые соединения фундаментально ограничены по пропускной способности [1]. Решение этой проблемы сегодня заключается в переходе от электроники к фотонике, а точнее - к нанофотонике [2] - замена электронов на фотоны позволит передавать большие объемы данных между ядрами процессора со скоростью света и выбирать их производительность пропорционально количеству ядер [3]. Однако фотонные компоненты из-за фундаментальных зако-
нов дифракции нельзя уменьшать слишком сильно - их размер не может быть меньше величины порядка длины волны света. Кроме того, уменьшение размеров оптических компонентов сталкивается с проблемой преодоления дифракционного предела.
Эту фундаментальную проблему можно решить переходом от объемных волн к поверхностным волнам, так называемым поверхностным плазмон-поляритонам (111111), которые основаны на процессах взаимодействия электромагнитного излучения и электронов проводимости на металлических поверхностях, что позволяет превзойти дифракционный предел классической оптики, и работать в оптическом ближнем поле с субволновыми размерами, создавая на-нометровые устройства (~ 10 нм), одновременно обладающих высоким быстродействием (~ 10 ТГц).
Так, длина волны поверхностного плазмон-поляритона, распространяющегося вдоль металлической поверхности, есть
При этом важной проблемой является увеличение расстояния, на которое распространяются поверхностные плазмон-поляритоны. Однако поскольку максимальное быстродействие и минимальный размер устройств в различных технологиях определяются свойствами используемых материалов, главным препятствием на этом пути является поглощение поверхностных плазмон-поляритонов в металле. Вследствие сильного поглощения ППП обладают слишком сильным затуханием. Так, расстояние, на котором поле затухание волны ППП изменяется в 1/е раз, может быть определено как [4]:
Принципиально потери можно компенсировать, закачивая дополнительную энергию в ППП. Однако такой подход создает дополнительное тепловыделение, которое приведет к росту температуры самих плазмонных компонентов и является энергоемким.
В настоящее время создано несколько устройств, позволяющих управлять распространением ППП. Так, например, в [5] описана призма для поверхностных плазмон-поляронов. Такое устройство позволяет отклонять ППП пучек, но не позволяет сфокусировать его в локальную область пространства при малом расстоянии транспортировки ППП, не превышающим (2). В [6] описано устройство для сфокусировки падающей на диэлектрический микродиск ППП
(1)
а интенсивность
волны в локализованную область пространства. Длина области фокусировки (локализованной области пространства) составляет не более 1-3 длин волн, а поперечный размер области фокусировки имеет субволновое значение. Однако в подобных устройствах расстояние, на которое возможна транспортировка ППП принципиально ограничена длиной фотонной струи (ФС) ППП и не превышает нескольких длин волн.
В последнее время были предложены и экспериментально исследованы в качестве альтернативной структуры для получения ФС на суб-ТГц частотах 3D диэлектрические кубоиды [7,8]. Было показано, что 3D диэлектрические кубоиды [9] и полусферы [10] могут работать в режиме «на отражение» [9,11]. Кроме того, было сообщено, что эта структура может быть использована в качестве волновода путем создания простой периодической матрицы 3D диэлектрических прямоугольных параллелепипедов, разделенных воздушным промежутком [12].
На основе упомянутых выше работ, в [13] мы сообщили о разработке плазмонного волновода, состоящего из периодически расположенных 3D диэлектрических кубоидов на поверхности металлической пленки, возбуждаемых ППП. Такой волновод способен почти вдвое по сравнению с (2) увеличить расстояния распространения ППП волн на телекоммуникационной длине волны Х0=1550 нм (здесь Х0- длина волны в свободном пространстве, Ао>Хфр). Структура представляла собой периодически размещенные 6 прямоугольных параллелепипедов с воздушным промежутком между ними. Были изучены характеристики нового типа плазмонного волновода, когда высота кубоидов изменялась от 0,05Ао до 0.16Х0 при различных расстояниях между кубоидами. Было показано, что наилучшие характеристики с точки зрения увеличения длины распространения ППП достигаются при высоте кубоидов 0,08Ао, и расстоянии между ними 2,5Х0. В этом случае, расстояние распространения ППП может быть увеличено не менее, чем вдвое (рисунок). Кроме того было показано, что в этом случае обеспечивается субволновая фокусировка вблизи теневой поверхности всех прямоугольных параллелепипедов. Фактически, каждый диэлектрический кубоид в данном случае представлял собой пассивный ретранслятор - усилитель ППП.
с кубоидами - без кубоидов значение 1/е раз
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
2 <у
Рис. Распределение нормированной амплитуды поля вдоль направления
распространения ППП
Увеличение расстояния распространения ППП вдвое пассивными средствами открывает широкие перспективы использования оптоэлектронных процессоров: от суперкомпьютеров до компактных электронных устройств.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. D.A.B. Miller, H.M. Ozaktas. Limit to the Bit-Rate Capacity of Electrical Interconnects from the Aspect Ratio of the System Architecture // Journal Parallel and Distributed Computing 41, 4252, (1997).
2. Maier S.A. Plasmonics: Fundamentals and Applications // Springer Science + Business Media LLC, 2007. - 223 p.; В. Горохов, А.Сидоренко. Нанотехнонаука: взаимное влияние фундаментальных теорий, современного эксперимента и новейших технологий // Высшее образование в России, № 10, 130- 143, (2008).
3. L. Pavesi, G. Guillot, Optical Interconnects: The Silicon Approach (Springer, 2006)
4. Anatoly V. Zayats, Igor I. Smolyaninov, Alexei A. Maradudin. Nano-optics of surface plasmon polaritons // Physics Reports, v.408, p.131-314, (2005).
5. Stefan Griesing, Andreas Englisch, and Uwe Hartmann. Refractive and reflective behavior of polymer prisms used for surface plasmon guidance // Optics Letters, V. 33, Issue 6, pp. 575577, (2008).
6. Ju, D.; Pei, H.; Jiang, Y.; Sun, X. Controllable and enhanced nanojet effects excited by surface plasmon polariton. // Appl. Phys. Lett. V.102, 171109, (2013).
7. Pacheco-Peña, V.; Beruete, M.; Minin, I. V.; Minin, O. V. Terajets produced by dielectric cuboids. // Appl. Phys. Lett., 105, 084102 (2014).
8. Pacheco-Peña, V.; Beruete, M.; Minin, I. V; Minin, O. V Multifrequency focusing and wide angular scanning of terajets. // Opt. Lett. 40, 245-248, (2015).
9. Минин И. В., Минин О. В. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // Вестник НГУ. Серия: Информационные технологии. - 2014. - Т. 12, вып. 4. - С. 59-70.
10. Minin I.V., Minin O.V., Kharitoshin N.A. Localized high field enhancements from hemispherical 3D mesoscale dielectric particles in the reflection mode // 16th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices June 29 - July 3, 2015.
11. Minin, I. V; Minin, O. V; Pacheco-Peña, V.; Beruete, M. Localized photonic jets from flat , three-dimensional dielectric cuboids in the reflection mode. // Opt. Lett. 40, 2329-2332, (2015).
12. Minin, I. V; Minin, O. V; Pacheco-Peña, V.; Beruete, M. All-dielectric periodic terajet waveguide using an array of coupled cuboids. // Appl. Phys. Lett. 254102, 1-6, (2015).
13. Victor Pacheco-Peña, Igor V. Minin, Oleg V. Minin and Miguel Beruete. Increasing Surface Plasmons Propagation via Photonic Nanojets with periodically spaced 3D dielectric cuboids // Photonics, 2016 (accepted).
© О. В. Минин, И. В. Минин, 2016
