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Plasmónica

Un diseño de guía de ondas plasmónicas para facilitar la refracción negativa en el espectro visible

La plasmónica o nanoplasmónica [1] se refiere a la generación, detección y manipulación de señales en frecuencias ópticas a lo largo de interfaces metal-dieléctricas en la escala nanométrica. [2] Inspirada en la fotónica , la plasmónica sigue la tendencia de miniaturizar dispositivos ópticos (ver también nanofotónica ) y encuentra aplicaciones en detección, microscopía, comunicaciones ópticas y biofotónica. [3] [4]

Principios

La plasmónica utiliza típicamente polaritones plasmónicos de superficie (SPPs) , [2] que son oscilaciones electrónicas coherentes que viajan junto con una onda electromagnética a lo largo de la interfaz entre un dieléctrico (por ejemplo, vidrio, aire) y un metal (por ejemplo, plata, oro). Los modos SPP están fuertemente confinados a su interfaz de soporte, dando lugar a fuertes interacciones luz-materia. En particular, el gas de electrones en el metal oscila con la onda electromagnética. Debido a que los electrones en movimiento están dispersos, las pérdidas óhmicas en las señales plasmónicas son generalmente grandes, lo que limita las distancias de transferencia de señal al rango subcentimétrico, [5] a menos que se utilicen redes de guía de luz optoplasmónicas híbridas, [6] [7] [8] o amplificación de ganancia de plasmón [9] . Además de los SPP, los modos plasmónicos de superficie localizados soportados por nanopartículas metálicas se denominan modos plasmónicos. Ambos modos se caracterizan por grandes valores de momento, que permiten una fuerte mejora resonante de la densidad local de los estados de fotones, [10] y pueden utilizarse para mejorar los efectos ópticos débiles de los dispositivos optoelectrónicos. [4]

Motivación y retos actuales

Actualmente se está realizando un esfuerzo para integrar la plasmónica con circuitos eléctricos , o en un circuito eléctrico análogo, para combinar la eficiencia de tamaño de la electrónica con la capacidad de datos de los circuitos integrados fotónicos (PIC) . [11] Si bien las longitudes de compuerta de los nodos CMOS utilizados para circuitos eléctricos están disminuyendo cada vez más, el tamaño de los PIC convencionales está limitado por la difracción , lo que constituye una barrera para una mayor integración. La plasmónica podría salvar este desajuste de tamaño entre los componentes electrónicos y fotónicos. Al mismo tiempo, la fotónica y la plasmónica pueden complementarse entre sí, ya que, en las condiciones adecuadas, las señales ópticas pueden convertirse en SPP y viceversa.

Uno de los mayores problemas para hacer de los circuitos plasmónicos una realidad factible es la corta longitud de propagación de los plasmones de superficie. Normalmente, los plasmones de superficie recorren distancias solo en la escala de milímetros antes de que la amortiguación disminuya la señal. [12] Esto se debe en gran medida a las pérdidas óhmicas, que se vuelven cada vez más importantes cuanto más penetra el campo eléctrico en el metal. Los investigadores están intentando reducir las pérdidas en la propagación de plasmones de superficie examinando una variedad de materiales, geometrías, la frecuencia y sus respectivas propiedades. [13] Los nuevos materiales plasmónicos prometedores de baja pérdida incluyen óxidos y nitruros metálicos [14] así como grafeno . [15] La clave para una mayor libertad de diseño son las técnicas de fabricación mejoradas que pueden contribuir aún más a reducir las pérdidas mediante la reducción de la rugosidad de la superficie.

Otra barrera previsible que los circuitos plasmónicos tendrán que superar es el calor; el calor en un circuito plasmónico puede o no superar el calor generado por circuitos electrónicos complejos. [12] Recientemente se ha propuesto reducir el calentamiento en redes plasmónicas diseñándolas para soportar vórtices ópticos atrapados, que hacen circular el flujo de energía de la luz a través de los espacios entre partículas, reduciendo así la absorción y el calentamiento óhmico, [16] [17] [18] Además del calor, también es difícil cambiar la dirección de una señal plasmónica en un circuito sin reducir significativamente su amplitud y longitud de propagación. [11] Una solución inteligente al problema de doblar la dirección de propagación es el uso de espejos de Bragg para inclinar la señal en una dirección particular, o incluso para funcionar como divisores de la señal. [19] Finalmente, las aplicaciones emergentes de la plasmónica para la manipulación de la emisión térmica [20] y la grabación magnética asistida por calor [21] aprovechan las pérdidas óhmicas en los metales para obtener dispositivos con nuevas funcionalidades mejoradas.

Guiado de ondas

La distribución del campo en una guía de ondas plasmónica híbrida

Los diseños óptimos de guías de onda plasmónicas buscan maximizar tanto la longitud de confinamiento como la de propagación de los plasmones de superficie dentro de un circuito plasmónico. Los polaritones de plasmones de superficie se caracterizan por un vector de onda complejo , con componentes paralelos y perpendiculares a la interfaz metal-dieléctrico. La parte imaginaria del componente del vector de onda es inversamente proporcional a la longitud de propagación del SPP, mientras que su parte real define el confinamiento del SPP. [22] Las características de dispersión del SPP dependen de las constantes dieléctricas de los materiales que componen la guía de onda. La longitud de propagación y el confinamiento de la onda del polaritón del plasmón de superficie están inversamente relacionados. Por lo tanto, un confinamiento más fuerte del modo generalmente da como resultado longitudes de propagación más cortas. La construcción de un circuito de plasmón de superficie práctico y utilizable depende en gran medida de un compromiso entre la propagación y el confinamiento. Maximizar tanto el confinamiento como la longitud de propagación ayuda a mitigar los inconvenientes de elegir la longitud de propagación sobre el confinamiento y viceversa. Se han creado múltiples tipos de guías de onda en la búsqueda de un circuito plasmónico con un fuerte confinamiento y una longitud de propagación suficiente. Algunos de los tipos más comunes incluyen aislante-metal-aislante (IMI), [23] metal-aislante-metal (MIM), [24] polaritón plasmónico de superficie con carga dieléctrica (DLSPP), [25] [26] polaritón plasmónico de brecha (GPP), [27] polaritón plasmónico de canal (CPP), [28] polaritón plasmónico de superficie en cuña (cuña), [29] y redes y guías de onda optoplasmónicas híbridas. [30] [31] Las pérdidas de disipación que acompañan a la propagación SPP en metales se pueden mitigar mediante la amplificación de ganancia o combinándolas en redes híbridas con elementos fotónicos como fibras y guías de onda con resonador acoplado. [30] [31] Este diseño puede dar como resultado la guía de onda plasmónica híbrida mencionada anteriormente, que exhibe un modo de sublongitud de onda en una escala de una décima parte del límite de difracción de la luz, junto con una longitud de propagación aceptable. [32] [33] [34] [35]

Enganche

Los puertos de entrada y salida de un circuito plasmónico recibirán y enviarán señales ópticas, respectivamente. Para ello, es necesario acoplar y desacoplar la señal óptica al plasmón de superficie. [36] La relación de dispersión para el plasmón de superficie se encuentra completamente por debajo de la relación de dispersión para la luz, lo que significa que para que se produzca el acoplamiento, el acoplador de entrada debe proporcionar un momento adicional para lograr la conservación del momento entre la luz entrante y las ondas de polaritón del plasmón de superficie lanzadas en el circuito plasmónico. [11] Hay varias soluciones para esto, incluido el uso de prismas dieléctricos, rejillas o elementos de dispersión localizados en la superficie del metal para ayudar a inducir el acoplamiento al hacer coincidir los momentos de la luz incidente y los plasmones de superficie. [37] Después de que se haya creado un plasmón de superficie y se haya enviado a un destino, se puede convertir en una señal eléctrica. Esto se puede lograr utilizando un fotodetector en el plano del metal o desacoplando el plasmón de superficie en luz que se propague libremente y que luego se pueda convertir en una señal eléctrica. [11] Alternativamente, la señal puede ser acoplada hacia un modo de propagación de una fibra óptica o guía de ondas.

Dispositivos activos

El progreso logrado en plasmones de superficie durante los últimos 50 años ha llevado al desarrollo de varios tipos de dispositivos, tanto activos como pasivos. Algunas de las áreas más destacadas de dispositivos activos son ópticos, termoópticos y electroópticos. Los dispositivos totalmente ópticos han demostrado la capacidad de convertirse en una fuente viable para el procesamiento de información, la comunicación y el almacenamiento de datos cuando se utilizan como moduladores. En un caso, se demostró la interacción de dos haces de luz de diferentes longitudes de onda al convertirlos en plasmones de superficie copropagantes a través de puntos cuánticos de seleniuro de cadmio . [38] Los dispositivos electroópticos también han combinado aspectos de dispositivos ópticos y eléctricos en forma de modulador. Específicamente, se han diseñado moduladores electroópticos utilizando rejillas metálicas resonantes acopladas evanescentemente y nanocables que se basan en plasmones de superficie de largo alcance (LRSP). [39] Asimismo, los dispositivos termo-ópticos, que contienen un material dieléctrico cuyo índice de refracción cambia con la variación de temperatura, también se han utilizado como moduladores interferométricos de señales SPP además de conmutadores acopladores direccionales. Se ha demostrado que algunos dispositivos termo-ópticos utilizan la guía de ondas LRSP a lo largo de franjas de oro que están incrustadas en un polímero y calentadas por señales eléctricas como un medio para la modulación y los conmutadores acopladores direccionales. [40] Otro campo potencial radica en el uso de espaciadores en áreas como la litografía a nanoescala, el sondeo y la microscopía. [41]

Dispositivos pasivos

Aunque los componentes activos juegan un papel importante en el uso de circuitos plasmónicos, los circuitos pasivos son igualmente integrales y, sorprendentemente, no son triviales de hacer. Muchos elementos pasivos como prismas , lentes y divisores de haz se pueden implementar en un circuito plasmónico, sin embargo, la fabricación a escala nanométrica ha demostrado ser difícil y tiene efectos adversos. Pueden ocurrir pérdidas significativas debido al desacoplamiento en situaciones en las que se utiliza un elemento refractivo con un índice de refracción diferente. Sin embargo, se han tomado algunas medidas para minimizar las pérdidas y maximizar la compacidad de los componentes fotónicos. Una de esas medidas se basa en el uso de reflectores Bragg , o espejos compuestos de una sucesión de planos para dirigir un haz de plasmón de superficie. Cuando se optimizan, los reflectores Bragg pueden reflejar casi el 100% de la potencia entrante. [11] Otro método utilizado para crear componentes fotónicos compactos se basa en guías de onda CPP, ya que han mostrado un fuerte confinamiento con pérdidas aceptables de menos de 3 dB dentro de las longitudes de onda de telecomunicaciones. [42] Maximizar la pérdida y la compacidad con respecto al uso de dispositivos pasivos, así como de dispositivos activos, crea más potencial para el uso de circuitos plasmónicos.

Véase también

Referencias

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