Anonim

Temaer

  • Anvendt fysikk
  • Integrert optikk
  • Nanophotonics og plasmonics
  • Sub-bølgelengdeoptikk

Abstrakt

Integrerte fotoniske nanoskalaapparater har brede applikasjoner som spenner fra optisk sammenkobling og optisk databehandling til optisk kommunikasjon. Bølgelengde demultiplekser er en essensiell on-chip optisk komponent som kan skille hendelsesbølgelengden til forskjellige kanaler. Den eksperimentelle utviklingen er imidlertid svært begrenset. Her bruker vi en ultrakompakt, bredbånds- og høykontrastbølgelengde-demultiplekser med 2, 3 μm funksjonsstørrelse, 200 nm operasjonsbåndbredde (fra 780 nm til 980 nm) og et kontrastforhold på opptil 13, 7 dB. Den fysiske mekanismen er basert på den sterke moduleringen av overflateplasmon-polaritonene fremkalt av multikomponent-nano-hulrommene, og den kan generaliseres til andre nanoskala-fotoniske enheter. Dette gir en strategi for å bygge on-chip fotonrutere, og har også applikasjoner for chip-integrert optisk filter og optiske logiske porter.

Introduksjon

Realiseringen av fotonisk chip er forskernes langvarige mål. Nanoskala integrerte bølgelengde demultiplexere, som kan skille hendelsen forskjellig bølgelengde for å forplante seg i forskjellige kanaler 1, 2, har store potensielle bruksområder innen integrert utstyr og kretser, for eksempel fotonruter, bølgelengdefilter og alle optiske logiske portene 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 . Surface plasmon polariton (SPP) enheter og kretser, som overgår gapet mellom integrert fotonisk og mikroelektronisk teknologi, er lovende kandidater til å realisere on-chip ultrakompakte planstrukturer 15, 16, 17 . Bølgelengde demultipleksene basert på SPP har nesten den minste størrelsen. Den første tilnærmingen til å realisere plasmoniske bølgelengde demultipleksere er basert på Brag-refleksjonen ved å designe forskjellige gitter, men den voluminøse periodiske konfigurasjonen økte størrelsen betydelig. Dette begrenser deres programmer for integrasjon sterkt. Den andre tilnærmingen er basert på de optiske forstyrrelsene gjennom etsende asymmetriske nanoslitser eller spor på gullfilmer direkte 5, 6, 8, 11, 13 . Denne tilnærmingen sikrer kompakt størrelse, men operasjonsbåndet er ikke bredt og kontrastforholdet er ikke høyt.

I 2011 ble Liu et al. eksperimentelt realiserte en submikron plasmonisk dikroisk demultiplekser på gullfilm direkte, men de høyeste splittintensitetsforholdene var bare 3: 1 (dvs. 4, 8 dB) ved korte bølgelengder og 1: 2 (dvs. -3, 0 dB) forhold ved lange bølgelengder 5 . Deretter ble flere plasmoniske bølgelengde demultipleksorer realisert basert på optiske forstyrrelser ved direkte fremstilling av nanoslitt og spor på gullfilm 6, 8, 13 . Operasjonsbåndet er hovedsakelig begrenset av det optiske interferensprinsippet, og kontrastforholdet er begrenset av den svakere moduleringen på SPPs ved bruk av gullfilm bare i stedet for å bruke gullfilm belagt med høyindeksdielektrisk lag 18, 19 . Nylig Piggott et al. foreslo en ny metode ved å vedta omvendt design og implementering for å realisere en bølgelengde demultiplekserende gitterkobler fremstilt i silisium på isolator 1 . Det nye gitteret separerte 1300 nm og 1550 nm lys inn i forskjellige bølgeledere. Størrelsen på enhetsstørrelsen var 8 μm, og enhetsoverføringen har høy effektivitet, som er nesten gjennomsiktig for infrarød bølgelengde over 1100 nm 1 . Svært nylig, Piggott et al. realisert en bølgelengde demultiplekser som delte 1300 nm og 1500 nm lys ved å vedta en algoritmetode 2 . Overskridelsen var mindre enn -11 dB, fotavtrykket er 2, 8 × 2, 8 μm 2, og båndbredden er over 100 nm 2, noe som tiltrukket stor interesse for forskere på den integrerte bølgelengde demultiplekseren. Det er verdt å nevne at en polarisasjonsbjelkeplitter med lignende strukturer også er realisert av Shen et al. ved bruk av algoritmetoden 3, 14 . Den eksperimentelle utviklingen på den integrerte bølgelengde demultiplekseren er imidlertid svært begrenset, så det er fortsatt en stor utfordring å utføre et enkelt eksperiment for å oppnå bølgelengde demultiplexere med bredbåndsoperasjon, ultrakompakt størrelse, høy kontrastforhold samtidig.

I dette papiret foreslår vi å adoptere to asymmetriske SPP-nano-hulrom i flere komponenter på metall / polymer / luftkonfigurasjon for å eksperimentelt realisere en nanoskala bølgelengde demultiplekser på brikken. Det er lett å belegge et polymerlag på gullfilmen ved hjelp av en spin-belegningsmetode, og multikomponenthulrummet er lett å fremstille ved direkte å bruke fokusert-ion-stråle-etsing på polymeren. Den målte plasmoniske bølgelengde-demultiplekseren virker fra 780 nm til 980 nm, funksjonens størrelse på hele sin laterale dimensjon er bare 2, 3 μm, og det målte kontrastforholdet mellom venstre intensitet og høyre intensitet når 13, 7 dB ved 840 nm og -10, 3 dB ved 920 nm med en overgangsbølgelengde på 890 nm (hvor den venstre intensiteten er lik den riktige intensiteten). I en slik plan konfigurasjon av ultrakompaktanordningen er koblingen av fri-romsignallamper til overflateplasmonpolaritoner og on-chip demultiplekseren integrert sammen, som er meget egnet for praktiske integreringsapplikasjoner, som f.eks. Fotonsorter, ruteren, filter og selv alle optiske logiske porter 12, 18, 19, 20, 21 .

resultater

For å illustrere designregelen for vår plasmoniske bølgelengde demultiplekser enhet, undersøkte vi først egenskapene til strukturen med bare ett multikomponent nano-hulrom, spesielt moduskoblingen for SPP og hulrom. Nano-spalten fungerer som en photon-to-SPP omformer, og den brukes mye i en rekke plasmoniske enheter 6, 8, 11, 13, 18, 20, 22, 23, 24, 25, 26 . Koblingseffektiviteten mellom fri-rom-laserstrålen og nano-spalten er ca. 3% for Au / PVA / Air-konfigurasjonen i henhold til vår beregning ved bruk av endelige elementmetode. På grunn av den symmetriske konfigurasjonen av nano-spalten finnes det venstre- og høyreformerende SPP-modi i grensesnittet mellom gullfilm og PVA-lag. Med tanke på en nanokavitet, det vil si en nano-spore etset på PVA-laget og gullfilmen, vil SPP'ene bli modulert av nano-hulrommet når SPPene forplanter seg gjennom nanokaviteten. M. Kuttge et al. påpekte at dybden og bredden av nano-hulrommet hadde viktige påvirkninger på spredningstilstanden til SPP 27 . Hvis SPP-modusen ikke samsvarer med kavitetsmodus, vil den bli reflektert av hulrommet, og det vil ikke bli spredt SPP gjennom nano-hulrommet. Hvis SPP-modusen samsvarer med hulrommodusen, vil den generere resonanser i hulrommet, og en stor del av SPP vil trenge inn i hulrommet og propagere fremover. Den plasmoniske nano-hulrommodus har generelt en relativt liten kvalitetsfaktor (relatert til dissoneringshastigheten av fotoner begrenset til hulrommet) eller en stor linjebredde på grunn av de sterke tapene av metall 17, 27, 28, 29, 30, 31, så det er mulig å oppnå et bredt operasjonsbånd for bølgelengdemultiplekseren ved å forsiktig utforme hulromstrukturene. Med andre ord, den minste av kvalitetsfaktoren for hulrommet, jo lettere for resonansene og det største av operasjonsbåndet 23 .

Multi-komponent nano-hulrom (MCC) består av tre komponenter, inkludert gull, PVA og luft. Tverrsnittstrukturen i konfigurasjonen med bare ett MCC er vist i figur 1 (a), hvor d er avstanden til den venstre veggen av luftsporet til den høyre veggen av nanospalten, dvs. lengden av PVA lag i MCC; w er bredden på luftsporet, dvs. lengden på luftlaget i MCC; og h er dybden på hulrommet, dvs. høyden på luftlaget i MCC. Resonansbetingelsene for SPPene i MCC kan beskrives omtrent med formelen,

( a ) Skjematisk struktur med enkelt MCC. Det grønne laget indikerer PVA, det gule laget indikerer gull, og det hvite området angir luft. " H " " d " " w " brukes til å angi nøkkelparametrene til MCC. ( b ) Beregnet effektiv indeks for SPP-modus for konfigurasjoner av Au / Air (uten polymerlag på) og Au / PVA / Air, henholdsvis. ( c ) Beregnet normalisert intensitet på høyre side av MCC for forskjellige h ( c ), forskjellige d ( d ) og forskjellige w ( e ) av hulrommene. De svarte pilene indikerer de tilsvarende hendelsesbølgelengder for intensitetstoppene i samme rekkefølge av SPP-modus.

Full størrelse bilde

hvor k 0 er bølgevektoren for hendelsesbølgelengden i vakuumet, som er lik 2 π / λ ; n SPP_PVA og n SPP_Air er den effektive brytningsindeksen for SPP-modusen i henholdsvis Au / PVA-grensesnittet og Au / Air-grensesnittet (se figur 1b); γ er en passende koeffisient i henhold til de numeriske simuleringsresultatene; φ 0 er summen av faseforskyvninger brakt av refleksjonen fra MCC, som er omtrentlig π og ikke utført av tykkelsen av gull i henhold til beregningene våre; og m er et positivt heltall, som angir modus rekkefølgen i MCC. De numeriske beregningene for den effektive indeksen for SPP-modus ble utført ved bruk av den endelige elementmetoden (vedtak av en kommersiell programvarepakke COMSOL Multiphysics), som er vist i figur 1 (b). Tykkelsen på gullfilm og PVA-lag er henholdsvis 300 nm og 150 nm. Det er klart at den effektive indeksen for SPP på grensesnittet til gullfilm og PVA-lag ( n SPP_PVA ) i Au / PVA / Air-konfigurasjonen er mer enn det som er på grensesnittet med gullfilm og luft ( n SPP_Air ) i Au / Luftkonfigurasjon. n SPP_PVA er litt mindre enn 1, 5 (indeksen for PVA), og n SPP_Air er litt større enn 1, 0 ( Airindeksen ) på grunn av de unike egenskapene til SPPs evanesielle felt. Med økningen av bølgelengden reduseres n SPP_PVA på grunn av svakere inneslutning på SPPs av det 150 nm tykke PVA-laget for lengre bølgelengder. For enkelhets skyld er den benyttede omtrentlige verdien for n SPP_PVA 1, 4 i formel (1), og den benyttede omtrentlige verdien for n SPP_Air er 1, 0 (dvs. gjennomsnittsverdien av den effektive indeksen for SPP-modus for Au / Air-konfigurasjonen) i formel ( 1).

For å illustrere rollen som spilles av de forskjellige strukturparametrene i formel (1), beregner vi intensiteten på høyre side av MCC, som er vist i figur 1 (c-e). Med tanke på påvirkningene som bare bringes av parameteren " d " på spredning av SPP, utføres beregningen ved å endre d og holde w og h konstant ( w = 400 nm, h = 250 nm), og resultatet er vist i fig. 1 (c). Når d øker 100 nm (A d = 100 nm) øker bølgelengden for intensitetstoppen ca. 93 nm (A λ = 93 nm), hvilket betyr at SPP resonansmodusen i MCC øker 93 nm. Utfør forskjellen på d i formel (1), vi kan få formel (2).

m er lik 2, noe som betyr at den andre rekkefølgen av SPP-modus brukes i vår konfigurasjon.

Med tanke på påvirkningene som bare bringes av parameteren " w " på spredning av SPP, utføres beregningen ved å endre w og holde d og h konstant ( d = 400 nm, h = 250 nm). Resultatet er vist i figur 1c. I henhold til formel (1) kan innflytelsene bare brakt av parameteren " w " uttrykkes i formel (3),

da Δλ = 67 nm, som er enighet med det numeriske beregningsresultatet i figur 1 (c).

Påvirkningen bare hentet av parameteren " h " på spredning av SPP, utføres beregningen ved å endre h og holde d og w konstant ( d = 400 nm, w = 400 nm). Resultatet er vist i figur 1c. Vi har bare endret h fra 200 nm til 350 nm med 50 nm per trinn, siden den totale tykkelsen på PVA og Au er begrenset.

Ved å erstatte Δh = 50 nm, Δλ = 23 nm til formel (4), får vi γ er omtrentlig til 0, 7. Som vi vet, sprer SPPene på grensesnittet til Au og PVA, er innflytingene brakt av h, hovedsakelig begrenset i grensesnittets vertikale retning, som er forskjellige for forskjellige konfigurasjoner, så vi vedtok en passende koeffisient for å vurdere påvirkninger som er bragt av h .

Det er åpenbart at d har større innvirkning på SPP-resonansen i MCC sammenlignet med w, fordi den effektive indeksen i Au / PVA / Air-konfigurasjonen er større enn i Au / Air-konfigurasjonen; parameteren h har de minste innflytelsene på SPPs resonansen til MCC, siden forplantningen av SPP er i X-retningen. I henhold til den ovennevnte teoretiske analysen er det sikkert å oppnå det ene MCC-en har en høy overføringstilstand for SPPene i et bestemt frekvensområde gjennom nøye å designe strukturparametrene til de to MCCene for å tilfredsstille resonansbetingelsene. Samtidig tar den andre MCC en refleksjonstilstand for SPPene når SPP-modusen ikke tilfredsstiller resonansbetingelsene. Derfor er det mulig å designe to asymmetriske MCC fordelt på venstre og høyre side av nano-spalten for å skille hendelsen forskjellig bølgelengde for å formere seg i to retninger. Den typiske fulle bredden ved halv maksimal resonanstopp for en MCC er over 150 nm, så det er spådd at operasjonsbåndet for bølgelengde-demultiplekseren basert på to asymmetriske MCCer kan oppnå mer enn 300 nm.

Den plasmonale bølgelengde-demultiplekseren består av en nanoslitt og to asymmetriske MCC fordelt på henholdsvis venstre og høyre side av nano-spalten. Figur 2 (a) viser skjematisk av SPP demultiplekser belyset av en p-polarisert laser (magnetisk vektor parallelt med spalten). Med tanke på den praktiske måling ved hjelp av den innstillbare laseren og nøyaktigheten av etsningen, blir parametrene til enhetsstrukturen optimert i henhold til de ovennevnte ligninger og de numeriske simuleringene. Bredden på luftsporet på venstre side er 400 nm, bredden på luftsporet på høyre side er 650, og avstandene til nano-spalten til venstre luftspor og til høyre luftspor er 400 nm og 650 nm, henholdsvis d = w = 400 nm for venstre MCC, og d = w = 650 nm for høyre MCC. Dybden for nanogroovene er 250 nm, dvs. h = 250 nm for MCC, noe som betyr at PVA-laget skal fjernes helt, og Au-laget skal etse 100 nm i dybden ved luftsporene. Nano-spaltens dybde og bredde var henholdsvis 450 nm og 200 nm. For målingens formål ble to ytterligere identiske avkoblingsgitter (inkludert tre luftspor) utformet på begge sider med en avstand på 8 μm vekk fra nano-spalten. For å lære spredningstapet av SPP-bølge, beregnet vi den imaginære delen av den effektive indeksen for SPP og den tilsvarende propagasjonslengden av Au / PVA / Air-konfigurasjonen (se tilleggsbilaget S2). Den gjennomsnittlige imaginære delen av SPP er ca. 0, 007 og gjennomsnittlig forplantnings lengden på SPP i Au / PVA / Air-konfigurasjonen er ca. 10 μm fra 780 nm til 980 nm, slik at avstanden til avkoblingsgitteret på 8 μm til nano- spalt er nok for CCD-deteksjonen i eksperimentet. Gitterets periode er 520 nm, sporetes bredde og dybde er henholdsvis 260 nm og 250 nm. For den virkelige prøven ble PVA-pulveret med en gjennomsnittlig molekylvekt på 30.000 oppløst i deionisert vann med et vektforhold på 1:31. Spinnbelegningsmetoden ble vedtatt for å fremstille PVA-laget på overflaten av gullfilmer. Den virkelige tykkelsen var omtrentlig til 150 nm for PVA-lag og 300 nm for gullfilm. Etisjonssystem med fokusert ionbjelke (FIB) (Model Helios NanoLab 600, FEI Company, USA) ble ansatt for å forberede mønsterene til nano-spalten og sporene på Au / PVA-plattformen direkte i henhold til de konstruerte strukturparametrene. Strålingsstrømmen til ionstrålen var bare 7, 7 PA for å forbedre etsekvaliteten. Lengden på den fremstilte prøven i Z-retningen var 20 μm, som er mye større enn den innledende bølgelengden for å sikre at den todimensjonale simuleringsmodellen er helt nøyaktig. Dimensjonen på 20 μm brukes til å eliminere påvirkningen av ruden av gullfilmen og etsningsfeilen, siden beregningen er basert på 2D-designet. Faktisk kan dimensjonen i Z-retningen forkortes til mye mindre enn 20 μm ved bruk av 2D-designet 6, 32 . Når dimensjonen er forkortet til rekkefølgen av bølgelengden, har enheten fortsatt gode egenskaper i henhold til vår beregning, som er vist i tilleggsbilag S3. Skanning-elektronmikroskopi (SEM) -bildet av SPP-demultiplekserprøven er vist i figur 2 (b). Vi beregner venstre strømstrøm fra venstre side venstre MCC i PVA-laget og høyre strømstrømmen til høyre side av høyre MCC for forskjellige hendelsesbølgelengder, som er vist i figur 2 (c). Det viser at den venstre intensiteten er mer enn den riktige intensiteten fra 750 nm til 880 nm; mens den rette intensiteten er mer enn den venstre intensiteten fra 900 nm til 1050 nm. For å demonstrere egenskapene til bølgelengde demultiplekseren mer direkte, tar vi hendelsesbølgelengden på 840 nm og 920 nm for eksempler, beregnet strømstrøm og feltfordeling er vist i figur 2 (d, e). Fra figur 2 (d) kan vi se at det er sterk strømfordeling av SPP-modusen i PVA-laget i stedet for det i luften, og strømmen strekker seg bare i venstre retning, mens høyden er nær null. Feltfordelingen av Hz-komponenten for SPP i figur 2 (e) demonstrerer at SPP er begrenset ved grensesnittet til gullfilmen og PVA-laget, slik at det dannes svært tett felt i vår konfigurasjon. SPPene forplanter seg til venstre for hendelsesbølgelengden på 840 nm, og propagere til høyre for hendelsesbølgelengden på 920 nm. Figur 2 (e) bekrefter også at det er den andre rekkefølgen av SPP-modusen som eksisterer i MCC, dvs. det eksisterer to perioder med effektiv bølgelengde av SPP, som er i samsvar med derivasjonsresultatet fra formel (1). PVA-laget sikrer et ultrakompakt felt, slik at nanohulen på Au / PVA / Air-konfigurasjonen kan generere effektiv modulering på SPP sammenlignet med Au / Air-konfigurasjonen 19 . Det bør påpekes at overføringseffektiviteten til MCC er nær det uten multikomponenthulrummet med en viss bølgelengde, som vist i tilleggsbilag S1, med andre ord, at MCCs eksistens har lite innflytelse på overføringseffektiviteten til SPP sammenlignet med strukturen bare med nano-spalten. Det kan sees at for bølgelengden fra 780 nm til 890 nm er venstre strømstrøm litt høyere enn strømmen til høyre, og overføringseffektiviteten av strukturen med multikomponenthulen er ca. 20% høyere enn strukturen i strukturen uten multikomponenthulen (dvs. referansen); for bølgelengden fra 890 nm til 980 nm er den høyre strømstrømmen litt lavere enn den venstre strømstrømmen, og overføringseffektiviteten til strukturen med multikomponenthulen er ca. 15% lavere enn strukturen uten multikomponenthulen ( dvs. referansen), siden hendelsesstrømmen er konstant, når den venstre strømstrømmen økes, reduseres strømstyrken til høyre.

( a ) Skjematisk av demultiplekserstrukturen opplyst av innfallende laser. Funksjonsstørrelsen på enheten i X-retningen er 2, 3 μm. Hendelseslaseren med kort bølgelengde forplanter seg i venstre retning, mens hendelseslaseren med lang bølgelengde forplanter seg i riktig retning. ( b ) Top-view SEM bilde av prøven. ( c ) Beregnet intensitetsforhold for venstre område av PVA-laget til venstre MCC til høyre område av PVA-lag av høyre MCC. Beregnede effektstrømfordelinger ( d ) og feltfordeling av Hz-komponent ( e ) på tverrsnittet av prøven for henholdsvis 840 nm og 920 nm.

Full størrelse bilde

I vårt eksperiment ble et optisk mikrospektroskopi målesystem vedtatt for å måle funksjonene til SPP bølgelengde demultiplekseren, som er vist i figur 3 (a). Nano-spalten ble normalt opplyst fra baksiden ved hjelp av en p-polarisert kontinuerlig bølge Ti: safir laserstråle med forskjellige bølgelengder. Den optiske tykke gullfilmen kan forby direkte overføring av den innkommende laserstrålen. Hindrings laserstrålen ble fokusert inn i et sted med en radius på ca. 50 μm, som sikrer jevn belysning av hele nano-spalten. Linjebredden til laserspektrumskurven var ca. 1, 5 nm, noe som sikrer at kun nødvendig kvasi-monokromatisk SPP-modus kan bli spenst av SPP bølgelengde demultiplekseren 18 . SPP-modusen ble spredt av to avkoblingsgitter i utgangsportene. Det spredte lyset ble samlet av et langt arbeidsavstandsmål (Olympus 40 ×, NA 0, 65) og deretter avbildet på en CCD (Microview, MVC1300F). Figur 3 (b-l) viser de fangede CCD-bildene for forskjellige hendelsesbølgelengder fra 780 nm til 980 nm ved 20 nm per trinn. Den lyse og mørke kontrast på det venstre avkoblingsgitteret og det høyre avkoblingsgitteret er veldig tydelig for forskjellige hendelsesbølgelengder. Det er tydelig at intensiteten ved de venstre avkoblingsgitterene er større enn den ved høyre avkoblingsgitter fra 780 nm til 880 nm; mens intensiteten ved de riktige avkoblingsgitterene er større enn den på venstre avkoblingsgitter fra 780 nm til 880 nm. Intensitetsverdiene til venstre avkoblingsgitter og de riktige avkoblingsgitterene kan hentes fra CCD-bildene. Kontrastforholdet kan oppnås fra 10 log (I L / I R ), hvor jeg L og I R er den spredte lysintensiteten fra henholdsvis venstre og høyre avkoblingsgitter, som ekstraheres fra CCD-bildene i figur 3 (b-l). Metoden ved å måle spredt lysintensitet for å demonstrere egenskapen til nanoskalaenheten er mye brukt i en rekke plasmoniske enheter 6, 8, 11, 13, 18, 19, 20, 21 . Kontrastforholdet til den spredte lysintensiteten er lik den for den overførte intensiteten på grunn av de samme avkoblingsgitterene på rettighetssiden og baksiden av strukturen. De svake frynser mellom dekoblingsgitterene og nanoslittet kommer fra de overførte SPPene fra MCC og de reflekterte SPPene fra avkoblingsgitterene. Intensiteten langs avkoblingsgitteret i Z-retningen er ikke ensartet, noe som skyldes filmens grovhet (se tilleggsbilde S4) og den ufullkomne etseprosessen (se tilleggsbilde S5). Råheten av gullfilmen og PVA-filmene er henholdsvis ca. 10 nm og 4 nm. Etsingsnøyaktigheten til FIB-etsystemet er 10 nm. Det beregnede og eksperimentelle kontrastforholdet er vist i figur 4 for forskjellige hhv. Laserbølgelengder, hvor de eksperimentelle resultatene er i samsvar med de beregnede resultatene ved hjelp av endelige element-metoden. For forekomst av 840 nm er intensiteten 668075 au ved venstre avkoblingsgitter og 25021 au ved høyre avkoblingsgitter (se figur 3d), slik at det eksperimentelle kontrastforholdet er 13, 7 dB; mens for 920 nm forekomst er intensiteten 686100 au ved høyre avkoblingsgitter og 64121 au ved høyre avkoblingsgitter (se figur 3h), slik at kontrastforholdet er -10, 3 dB. Det eksperimentelle gjennomsnittlige kontrastforholdet når 10, 5 dB for det korte bølgelengdesområdet fra 780 nm til 880 nm og -7, 1 dB for det lange bølgelengdeområdet fra 900 nm til 980 nm, som er blant det høyeste kontrastforholdet sammenlignet med de tidligere rapporterte verdier 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 13 . Operasjonsbåndbredden forstørres nesten en størrelse sammenlignet med tidligere eksperimentelle rapporterte verdier 5, 6, 11 . Bredbåndet skyldes hovedsakelig den brede linjebredden til MCC. Kontrastforholdet mellom bølgelengde-demultiplekseren basert på Au / PVA / Air-konfigurasjonen er høyere enn strukturen basert på Au / Air-konfigurasjonen 5, 6, 8 . Imidlertid er koblingseffektiviteten til lyset fra fritt mellomrom til brikken verdt å forbedre. For eksempel kan en litt mer effektiv struktur av den enveisjonsvise SPP-lanseringsanordningen 19 fokusere SPP-sirkelgitter 33, 34, og til og med koniske plasmoniske nanoantenner kan bli vedtatt ved inngangsporten 35 . I tillegg er direkte skjøting ved bruk av on-chip ultrasmall laser også en alternativ måte, dvs. at ultra-laser laser på direkte bruk brukes direkte som inngangsport i stedet for kobling av fri-rom-laseren til on-chip-enheten.

( a ) Skjematisk diagram for eksperimentell oppsett. Prøven er opplyst av den normale hendelsesfokuserte laser fra baksiden, og den spredte intensiteten av overflaten av prøven samles inn av CCD. De fangede CCD-bildene [fra ( b - 1 )] for den målte intensiteten av prøveoverflaten for forskjellige innfallsbølgelengder fra 780 nm til 980 nm med 20 nm per trinn.

Full størrelse bilde

Beregnet (blå squre) og eksperimentell (rød trekant) kontrastforhold for venstre intensitet til høyre intensitet for forskjellige hendelsesvåglengder, henholdsvis.

Full størrelse bilde

I sammendraget realiserte vi eksperimentelt en bredbånds ultrakompakt plasmonisk bølgelengde demultiplekser ved å vedta to asymmetriske MCCer på en platekonfigurasjon av Au / PVA / Air. Operasjonsbølgelengden er fra 780 nm til 980 nm, funksjonens størrelse er bare 2, 3 μm for hele enheten, og kontrastintensitetsforholdet er 13, 7 dB for kort bølgelengde og -10, 3 dB for den lange bølgelengden. Videre kan splittbølgelengdene og deres separasjon lett justeres ved å variere de strukturelle parametrene for den foreslåtte MCC-konfigurasjonen. MCC-konfigurasjonen er veldig enkel for fabrikasjon. Den platte konfigurasjonen av enheten er meget egnet for de praktiske integrasjonsapplikasjoner på chip. Denne bredbåndsplasmonale bølgelengde-demultiplekseren kan ha stort omfang for sine evner i optisk kommunikasjon avhengig av strukturer som samler og sorterer fotoner med bølgelengde.

metoder

Numerisk simulering

Numeriske simuleringer ble utført ved bruk av kommersiell, endelig element (FEM) -løseren av COMSOL Multiphysics. Brekningsindeksen til den dielektriske filmen var 1, 50 18, og gullets permittivitet ble beregnet som en funksjon av bølgelengden ved bruk av interpolering og ble tatt fra ref. 36. Her ble den todimensjonale frekvensdomenemodulen og modusanalysemodulen brukt.

Eksempelfabrikasjon

Gullfilmen ble fremstilt ved hjelp av et lasermolekylær-epitaks (LMBE) vekstsystem (Model LMBE 450, SKY Company, Kina). Strålen (bølgelengde 248 nm, en pulsrepetisjonshastighet 3 Hz) utgang fra et excimerlasersystem (Model COMPexPro 205, Coherent Company, USA) ble brukt som lyskilde. Strålen er fokusert på et gullmål montert på en roterende holder, 15 mm fra silisiumdioksydsubstratet. En typisk energitetthet av eksiteringslaseren er ca. 500 mJ / cm2. Veksthastigheten målt ved en filmtykkelse / hastighetsmonitor er ca. 0, 01 nm / puls. PVA pulver med en gjennomsnittlig molekylvekt på 30.000 (J & K selskap, Kina) er oppløst i deionisert vann med et vektforhold på 1:31. Spinnbelegningsmetoden brukes til å fremstille PVA-laget på overflaten av gullfilmene. Et FIB-etsystem (Model Helios NanoLab 600, FEI Company, USA) er ansatt for å forberede mønstrene av nanoslitet og 1D plasmonisk krystall. Sponstrømmen av ionstrålen var bare 7, 7 pA for å forbedre etsekvaliteten.

Mikrospektroskopi måling oppsett

Et mikrospektroskopi målesystem brukes til å måle intensiteten på prøveoverflaten. Nanoslittene er normalt opplyst fra baksiden ved hjelp av en p-polarisert CW Ti: safirlaser (Model Mira 900F, Coherent Company, USA) med forskjellige bølgelengder. Den optiske tykke gullfilmen kan forby direkte overføring av den innkommende laserstrålen. Linjebredden til laserspektrumskurven er ca. 1, 5 nm som sikrer at bare de spesifiserte kvasi-monokromatiske SPP-modusene kan bli spenningen av nanoslitet. SPP-modusen er spredt ved hjelp av avkoblingsgitter i utgangsporten. Det spredte lyset samles inn av et langt arbeidsavstandsmål (Mitutoyo 20, NA = 0, 58) og deretter avbildet på en ladetilkoblet enhet (CCD).

Tilleggsinformasjon

Hvordan å sitere denne artikkelen : Lu, C. et al. Integrert ultrakompakt og bredbåndsbølgelengde demultiplekser basert på multikomponent nano-hulrom. Sci. Rep. 6, 27428; doi: 10, 1038 / srep27428 (2016).

Tilleggsinformasjon

Word-dokumenter

  1. 1.

    Tilleggsinformasjon

kommentarer

Ved å sende inn en kommentar, godtar du å overholde våre vilkår og retningslinjer for fellesskapet. Hvis du finner noe fornærmende eller som ikke overholder våre vilkår eller retningslinjer, merk det som upassende.

Anbefalt Redaksjonens