Поляризационно-селективное усиление дефектной моды в фотонно-кристаллической структуре с плазмонным метаслоем Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

ВКВО-2019- Стендовые

ПОЛЯРИЗАЦИОННО-СЕЛЕКТИВНОЕ УСИЛЕНИЕ ДЕФЕКТНОЙ МОДЫ В ФОТОННО-КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЕ С ПЛАЗМОННЫМ МЕТАСЛОЕМ

Моисеев С. Г.1'2'3*, Глухов И. А.1'4, Дадоенкова Ю. С.1'4, Бентивенья Ф.4, Иванов О. В.2

1 Ульяновский государственный университет, г. Ульяновск, Россия 2 УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, г. Ульяновск, Россия 3 Ульяновский государственный технический университет, г. Ульяновск, Россия 4 Высшая школа инженеров г. Бреста, г.Брест, Франция * E-mail: serg-moiseev@yandex.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16155

Продемонстрирована возможность управления состоянием поляризации световой волны, генерируемой полупроводниковой слоисто-периодической структурой, за счет применения в ее составе плазмонного метаслоя. Плазмонный метаслой, образованный двумерным массивом металлических наночастиц несферической формы, размещен в резонаторной области фотонной структуры. Показана возможность управления параметрами генерируемого излучения за счет варьирования положения и структурных параметров метаслоя.

Рассмотрена полупроводниковая структура, состоящая из двух брэгговских зеркал (AB)N и (BA)N, разделенных композитным слоем (рис. 1(a)). Композитная структура образована усиливающим слоем D, резонаторными слоями С и двумерным массивом наночастиц. Характеристики слоев структуры подобраны таким образом, чтобы в спектре пропускания формировалась фотонная запрещенная зона с дефектной модой, приходящейся на длину волны 1.55 мкм. Метаслой представляет собой двумерную квадратную решетку идентичных наночастиц серебра (рис. 1(b)). Плоскость метаслоя перпендикулярна оси z декартовой системы координат. Наночастицы имеют форму эллипсоидов вращения с осью симметрии, ориентированной вдоль оси x. Аспектное отношение формы наночастиц обеспечивает совмещение его резонансной частоты, связанной с поверхностным плазмонным резонансом наночастиц, с частотой дефектной моды фотонной структуры.

Рис. 1. Фотонно-кристаллическая структура (а) и двумерный массив металлических наночастиц (b), размещенный в резонаторной области CDC

Для анализа спектральных характеристик фотонной структуры применен метод матриц переноса [1]. Каждому слою сопоставлена матрица переноса, характеризующая взаимосвязь полей на его интерфейсах. Так как массив наночастиц взаимодействует с электромагнитной волной аналогично плоской границе раздела двух сред, он рассматривается как интерфейс с собственными коэффициентами пропускания и отражения [2], которые формируют собственную (нефренелевскую) матрицу переноса [3]. Результирующая матрица всей структуры получена путем последовательного

296

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

ВКВО-2019 Стендовые

произведения матриц переноса полупроводниковых слоев и плазмонных метаслоев в соответствии с порядком их следования в фотонной структуре.

Проведены расчеты спектра фотонного кристалла для двух ортогональных случаев поляризации электромагнитной волны - «продольной» и «поперечной» поляризаций, отвечающих соответственно параллельной и перпендикулярной ориентации оси симметрии наночастиц по отношению к световому вектору электромагнитной волны. Материалы полупроводниковых слоев структуры выбраны идентичными материалам в составе вертикально излучающих полупроводниковых лазеров (VCSEL) [4]. Определены параметры анизотропного метаслоя и фотонной структуры, обеспечивающих поляризационно-избирательное усиление дефектной моды фотонной структуры: практически полное подавление дефектной моды для продольной поляризации и усиление дефектной моды для поперечной поляризации плоскополяризованной световой волны [5].

Рис. 2. Спектр пропускания композитной фотонно-кристаллической структуры в области дефектной моды для продольной поляризации световой волны: зависимость амплитуды дефектной моды от положения метаслоя. На верхнем рисунке схематично показано строение резонаторной области и распределение интенсивности световой волны вдоль ее оси

Исследована зависимость амплитуды дефектной моды от местоположения массива наночастиц внутри резонаторной области. Установлено, что расположение двумерного массива наночастиц в точках максимума интенсивности поля приводит к полному подавлению дефектной моды, в то время как расположение монослоя в областях минимума интенсивности локального поля практически не влияет на спектр фотонного кристалла (рис. 2).

Полученные результаты могут быть полезны при разработке квантовых и оптоэлектронных приборов и устройств.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проекты №№ 075-00629-19-00, 3.5698.2017/9.10, 3.7614.2017/9.10), Российского Фонда Фундаментальных Исследований (18-42-730007, 17-02-01382), Conseil Régional de Bretagne, France (PhotoMag, SPEACS); École Nationale d'Ingénieurs de Brest, France (HF-CCCP).

Литература

1. Born M., Wolf E., Principles of Optics. Cambridge University Press, 1999

2. Holloway C. L., et al, IEEE Trans. Electromagn. Compat. 47, 853-865 (2005)

3. Katsidis C. C. andSiapkas D. I., Appl. Opt. 41, 3978-3987 (2002)

4. Rahman M. A., et al, Int. J. Photon. Opt. Technol. 4, 14-18 (2018)

5. Moiseev S. G., Glukhov I. A., Dadoenkova Y. S., Bentivegna F. F. L., JOSA B, 36, 1645-1652 (2019)

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»

www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 297