CC BY
16УДК 535.8; 544.77.03
СВЕРХУЗКОПОЛОСНЫЕ ВЫДЕЛЯЮЩИЕ ПЛАЗМОННЫЕ ФИЛЬТРЫ ДЛЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН*
А. Д. Утюшев1, А. Е. Ершов1, 2, В. С. Герасимов2, 3, И. Л. Рассказов4, С. В. Карпов1, 3 4 а
1 Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Институт вычислительного моделирования СО РАН Российская Федерация, 660036, Красноярск, Академгородок, 50/44 3Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 3Институт оптики, Рочестерский университет США, 14627, штат Нью-Йорк, Рочестер, бульвар Джозефа Уилсона, 500 4Институт физики имени Л. В. Киренского СО РАН Российская Федерация, 660036, Красноярск, Академгородок 50/38 аЕ-таП: karpov@iph.krasn.ru
Показано, что двумерные периодические структуры (ПС) из наночастиц нитрида титана (TiN) могут служить в качестве управляющих оптических элементов в системах глобальной космической коммуникации с полосой пропускания менее 1 нм.
Ключевые слова: поверхностный плазмонный резонанс, решеточный поверхностный плазмонный резонанс, высокодобротный спектральный фильтр.
SUPER-NARROW SELECTIVE PLASMONICIC FILTERS FOR TELECOMMUNICATION
WAVELENGTH RANGE
A. D. Utyushev1, A. E. Ershov1, 2, V. S. Gerasimov2, 3, I. L. Rasskazov4, S. V. Karpov1, 3 а
1Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Institute of Computational Modeling SB RAS 50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation 3Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation
3Institute of Optics, University of Rochester, USA, 14627, New York, Rochester, Boulevard. Joseph Wilson, 500 4L.V. Kirensky Institute of Physics SB RAS 50/38, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation ""E-mail: karpov@iph.krasn.ru
We have shown that two-dimensional periodic structures (PS) from titanium nitride (TiN) nanoparticles can serve as control optical elements in global space communication systems with a bandwidth of less than 1 nm.
Keywords: surface plasmon resonance, lattice surface plasmon resonance, high-Q spectral filter.
Не вызывает сомнения актуальность создания управляющих оптических элементов для телекоммуникационного диапазона длин волн (X = 1,25-1,65 мкм) с возможностью пропускания через одну оптоволоконную линию связи большого количества независимых модулированных потоков излучения, отличающихся длиной волны. В этой связи обращают на себя внимание устройства, в виде одномерных (Ш) или
двумерных (2Б) периодических структур (ПС), состоящих из плазмонных наночастиц, теоретические исследования которых были впервые выполнены в работах Маркеля и Шаца [1-3]. В соответствии с предсказаниями, такие ПС демонстрируют в спектрах поглощения сверхузкий резонанс [1-3], положение и добротность которого зависят от структуры ПС, материала и формы его частиц.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, Правительства Красноярского края, Красноярского краевого фонда науки в рамках научного проекта № 18-42-240013 и Министерства науки и высшего образования РФ, Госзадание для Сибирского федерального университета для выполнения научных исследований в 2017-2019 гг.
Решетневские чтения. 2018
Cylinder d=l6í) run, h=KO 11m
D^-^OQrtrtl,
(J, =132;
D,=1000nni.
Q,=I3SS;
D. 1 lOOillll, i 2 3
0=3268
Ц
К ЦП)
б
а
в
Спектры отражения от ПС (а), зависимость добротности резонанса (О) от длины волны для основных спектральных линий решеточного ППР для НД (б) и НП (в) и трех значений периода решетки (Б = 900, 1000, 1100 нм): Х900 = 1322 нм (1), Х1000 = 1461 нм (2), Х1100 = 1603 нм (3)
К настоящему времени опубликованы десятки работ, посвященных резонансам Маркеля-Шаца. В работе [4] предложено использовать в таких 2Б ПС плазмонные наночастицы из нитрида титана (ТЫ), что позволило придать такому устройству высокую лучевую стойкость и долговечность, а также и сместить резонанс в ближний ИК-диапазон. В работах других авторов в качестве материала частиц использовалось золото или серебро, температура плавления которых вдвое ниже. Подчеркнем, что в предыдущих работах сверхузкие структурные резонансы наблюдались лишь в спектре поглощения, что не позволяло использовать их для выделения из широкого спектра падающего излучения узкой спектральной области с требуемой длиной волны.
Периодические структуры (ПС) из плазмонных наночастиц способны сочетать возбуждение поверхностных плазмонов в отдельных наночастицах и проявлять коллективные эффекты, которые связаны с взаимодействием электромагнитных полей, создаваемых этими наночастицами. При определенном наборе параметров ПС (период, форма частиц, размер и материал), такие структуры могут порождать в спектре поглощения или отражения сверхузкие оптические резонансы, которые вызываются интерференцией полей отдельных частиц и появлением аномалии Рэлея. В общем случае аномалия Рэлея или решеточный резонанс (РР) возникает в ПС, в которой фаза внешнего поля плоской волны вблизи отдельного элемента ПС совпадает с фазой поля, создаваемого соседним элементом. Если это условие выполняется в пределах всей ПС, то на данной длине волны наблюдается оптический резонанс.
Таким образом, резонансное поглощение или отражение порождается гибридной связью локализованных низкодобротных поверхностных плазмонных резонансов (ППР) наночастиц и их нелокализованных взаимодействий, охватывающих всю ПС. При этом добротность таких резонансов О-фактор) в 102-103 раз может превышать добротность ППР отдельных частиц.
В настоящей работе исследуются спектры отражения широкополосного излучения от ПС с квадратной
структурой из наночастиц TiN и поиск условий, при которых в обратном рассеянном падающего излучении появляются сверхузкие спектральные моды (РППР), являющиеся результатом конструктивной интерференции взаимодействующих полей.
Расчеты выполняются методом FDTD, который является одним из наиболее востребованных, экспериментально верифицированных вычислительных методов электродинамики, основанных на дискретизации уравнений Максвелла в дифференциальной форме [5]. Отметим, что форма наночастицы является важным фактором, который влияет на добротность (Q-фактор) решеточных ППР (РППР) в ПС - Q = А/ДА, -отношению резонансной длины волны к ширине контура на полувысоте). Выполненные расчеты ограниваются нанопараллелепипедами (НП) и нанодиска-ми (НД).
Полученные результаты показывают, что РППР в отраженном излучении возникают во всем телекоммуникационном диапазоне длин волн путем изменения периода решетки D (см. рисунок, а). Для точного расчета положения спектральной линии важно выбрать соответствующий размер НП и НД: для фиксированного периода решеточный ППР становится чрезвычайно узким. Например, ширина РППР при периоде D = 1100 нм и размере частицы d = 160 нм уменьшается до 1 нм (см. рисунок, а).
Обнаружено, что увеличение периода решетки может значительно повысить добротность РППР в реальном эксперименте (см. рисунок, б, в).
Таким образом, показано, что периодические структуры, состоящие из плазмонных наночастиц, с решеточным поверхностным плазмонным резонансом могут использоваться в схеме отражения в качестве выделяющих сверхузкополосных спектральных фильтров.
References
1. Markel V. A. Divergence of dipole sums and the nature of non-Lorentzian exponentially narrow resonances in one-dimensional periodic arrays of nano-spheres. Journal of Phys. B: Atomic, molecular and optical physics. 2005. Vol. 38. P. 115-121.
2. Zou S., Janel N., Schatz G. C. Silver nanoparticle array structures that produce remarkably narrow plasmon line shapes. J. Chem. Phys. 2004. Vol. 120. P. 10871-5.
3. Zou S., Schatz G. C. Narrow plasmonic/photonic extinction and scattering line shapes for one and two dimensional silver nanoparticle arrays. J. Chem. Phys. 2004. Vol. 121. P. 12606-12.
4. Zakomirnyi V. I., Rasskazov I. L., Gerasimov V. S. et al. Refractory titanium nitride two-dimensional
structures with extremely narrow surface lattice resonances at telecommunication wavelengths. Applied Physics Letters. 2017. Vol. 111. P. 123107-1123107-4.
5. Finite-difference time-domain method. Available at: https://clck.ru/DWzUV (date of visit: 10.06.2018).
© Утюшев А. Д., Ершов А. Е., Герасимов В. С., Рассказов И. Л., Карпов С. В., 2018
