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Guía de ondas plasmónica híbrida

Una guía de onda plasmónica híbrida es una guía de onda óptica que logra un fuerte confinamiento de la luz mediante el acoplamiento de la luz guiada por una guía de onda dieléctrica y una guía de onda plasmónica . Se forma separando un medio de alto índice de refracción (normalmente silicio ) de una superficie metálica (normalmente oro o plata ) mediante un pequeño espacio.

Sección transversal de una guía de ondas plasmónica híbrida. La potencia se propaga en la dirección z.

Historia

Las guías de onda dieléctricas utilizan la reflexión interna total para confinar la luz en una región de alto índice. Pueden guiar la luz a lo largo de una gran distancia con muy poca pérdida, pero su capacidad de confinamiento de la luz está limitada por la difracción. Las guías de onda plasmónicas, por otro lado, utilizan plasmones de superficie para confinar la luz cerca de una superficie metálica. La capacidad de confinamiento de la luz de las guías de onda plasmónicas no está limitada por la difracción [1] y, como resultado, pueden confinar la luz a volúmenes muy pequeños. Sin embargo, estas guías sufren una pérdida de propagación significativa debido a la presencia de metal como parte de la estructura de guía. [2] El objetivo de diseñar la guía de onda plasmónica híbrida fue combinar estos dos esquemas de guía de onda diferentes y lograr un alto confinamiento de la luz sin sufrir grandes pérdidas. [3] [4] Se han propuesto muchas variaciones diferentes de esta estructura. Desde entonces, se han propuesto muchos otros tipos de guías de onda plasmónicas híbridas para mejorar la capacidad de confinamiento de la luz o para reducir la complejidad de fabricación. [5] [6]

Densidad de potencia guiada en una guía de ondas plasmónica híbrida. La luz se propaga en la dirección z

Principio de funcionamiento

El funcionamiento de las guías de onda plasmónicas híbridas se puede explicar utilizando el concepto de acoplamiento de modos . La guía de onda plasmónica híbrida más utilizada consiste en un nanoalambre de silicio colocado muy cerca de una superficie metálica y separado por una región de bajo índice. La guía de onda de silicio admite el modo de guía de onda dieléctrica, que está confinado principalmente en silicio. La superficie metálica admite el plasmón de superficie , que está confinado cerca de la superficie metálica. Cuando estas dos estructuras se acercan entre sí, el modo de guía de onda dieléctrica soportado por el nanoalambre de silicio se acopla al modo de plasmón de superficie soportado por la superficie metálica. Como resultado de este acoplamiento de modos, la luz queda altamente confinada en la región entre el metal y la región de alto índice (nanoalambre de silicio).

Aplicaciones

La guía de onda plasmónica híbrida proporciona un gran confinamiento de la luz con una pérdida menor en comparación con muchas guías de onda plasmónicas informadas anteriormente. [7] También es compatible con la tecnología fotónica de silicio y se puede integrar con guías de onda de silicio en el mismo chip. De manera similar a una guía de onda de ranura , también puede confinar la luz en el medio de bajo índice. La combinación de estas características atractivas ha estimulado la actividad de investigación mundial sobre la aplicación de este nuevo esquema de guía. Algunos ejemplos notables de tales aplicaciones son los láseres compactos, [8] moduladores electroópticos, [9] biosensores, [10] [11] dispositivos de control de polarización, [12] e interruptores termoópticos. [13] [14]

Referencias

  1. ^ DK Gramotnev; SI Bozhevolnyi (2010). "Plasmónica más allá del límite de difracción". Nature Photonics . 4 (2): 83–91. Código Bibliográfico :2010NaPho...4...83G. doi :10.1038/nphoton.2009.282.
  2. ^ W. L Barnes (2006). "Escalas de longitud de plasmón-polaritón de superficie: una ruta hacia la óptica de sublongitud de onda". Journal of Optics A: Pure and Applied Optics . 8 (4): S87. Código Bibliográfico :2006JOptA...8S..87B. doi :10.1088/1464-4258/8/4/S06.
  3. ^ MZ Alam, J. Meier, JS Aitchison y M. Mojahedi (2007). Propagación supermodal en un medio de bajo índice . Conferencia sobre láseres y electroóptica (CLEO).{{cite conference}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  4. ^ RF Oulton; VJ Sorger; DA Genov; DFP Pile; X. Zhang (2008). "Una guía de onda plasmónica híbrida para confinamiento de sublongitud de onda y propagación de largo alcance". Nature Photonics . 2 (8): 496–500. Bibcode :2008NaPho...2.....O. doi :10.1038/nphoton.2008.131. hdl : 10044/1/19117 .
  5. ^ D. Dai; S. He (2009). "Una guía de onda plasmónica híbrida basada en silicio con una tapa metálica para un confinamiento de luz a escala nanométrica". Opt. Express . 17 (19): 16646–16653. Bibcode :2009OExpr..1716646D. doi : 10.1364/OE.17.016646 . PMID  19770880.
  6. ^ Y. Bian; Z. Zheng; X. Zhao; L. Liu; Y. Su; J. Liu; J. Zhu; T. Zhou (2013). "Guiado de luz a nanoescala en una guía de onda plasmónica híbrida basada en silicio que incorpora una cresta metálica inversa". Phys. Status Solidi A . 210 (7): 1424–1428. Bibcode :2013PSSAR.210.1424B. doi :10.1002/pssa.201228682. S2CID  115148678.
  7. ^ MZ Alam; JS Aitchison; M. Mojahedi (2014). "Un matrimonio de conveniencia: hibridación de modos de guía de ondas plasmónicas y dieléctricas". Laser and Photonics Reviews . 8 (3): 394–408. Bibcode :2014LPRv....8..394A. doi :10.1002/lpor.201300168. S2CID  54036931.
  8. ^ RF Oulton; VJ Sorger; T. Zentgraf; RM. Ma; C. Gladden; L. Dai; G. Bartal; X. Zhang (2009). "Láseres de plasmón a escala de sublongitud de onda profunda" (PDF) . Nature . 461 (7264): 629–632. Bibcode :2009Natur.461..629O. doi :10.1038/nature08364. hdl : 10044/1/19116 . PMID  19718019. S2CID  912028.
  9. ^ VJ Sorger; ND L-Kimura; RM. Ma; X. Zhang (2012). "Modulador nanofotónico de silicio ultracompacto con respuesta de banda ancha". Nanophotonics . 1 (1): 17–22. Bibcode :2012Nanop...1...17S. doi : 10.1515/nanoph-2012-0009 . S2CID  10431638.
  10. ^ L. Zhou; X. Sun; X. Li; J. Chen (2011). "Sensor resonador de microring en miniatura basado en una guía de onda plasmónica híbrida". Sensores . 11 (7): 6856–6867. Bibcode :2011Senso..11.6856Z. doi : 10.3390/s110706856 . PMC 3231671 . PMID  22163989. 
  11. ^ S. Ghosh; BMA Rahman (2019). "Diseño de un interferómetro plasmónico híbrido de Mach-Zehnder en chip para la detección de temperatura y concentración de soluciones químicas". Sensores y actuadores B: Química . 279 (7): 490–502. doi :10.1016/j.snb.2018.09.070. PMC 3231671 . PMID  22163989. 
  12. ^ JN Caspers; JS Aitchison; M. Mojahedi (2013). "Demostración experimental de un rotador de polarización plasmónica híbrido integrado". Optics Letters . 38 (20): 4054–4057. Bibcode :2013OptL...38.4054C. doi :10.1364/OL.38.004054. PMID  24321921. S2CID  26909408.
  13. ^ D. Perron; M. Wu; C. Horvath; D. Bachman; V. Van (2011). "Conmutación totalmente plasmónica basada en la no linealidad térmica en un resonador de microanillo plasmónico de polímero". Optics Letters . 36 (14): 2731–2733. Bibcode :2011OptL...36.2731P. doi :10.1364/OL.36.002731. PMID  21765524.
  14. ^ F. Lou; L. Thylen; L. Wosinski (2013). Cheben, Pavel; Čtyroký, Jiří; Molina-Fernandez, Iñigo (eds.). "Resonadores de microdiscos plasmónicos híbridos para aplicaciones de interconexión óptica". Proc. SPIE . Óptica integrada: física y simulaciones. 8781 : 87810X. Bibcode :2013SPIE.8781E..0XL. doi :10.1117/12.2017108. S2CID  119802655.