eng
Выпуск #4/2016
А. Андриевский
Устройства ввода-вывода оптического излучения для субволновых волноводов. Часть 2
Устройства ввода-вывода оптического излучения для субволновых волноводов. Часть 2
Просмотры: 5153
В первой части статьи были рассмотрены разнообразные линзы как устройства ввода-вывода (УВВ) оптического излучения в субволновые волноводы. Вторая часть посвящена устройствам ввода-вывода на основе связанных волноводов и дискретных рассеивателей.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.10.126.133
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.10.126.133
Теги: in – and out-coupling devices for subwavelength waveguides subwavelength waveguides субволновые волноводы устройства ввода-вывода оптического излучения для субволновых во
УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА НА ОСНОВЕ СВЯЗАННЫХ ВОЛНОВОДОВ
Эффективные технологии ввода излучения в некоторые типы широких несубволновых волноводов, например в оптическое волокно или в кремниевые интегральные волноводы, разработаны достаточно хорошо. Соответственно, можно предварительно вводить оптическое излучение в широкий волновод, а далее передавать его в субволновой волновод. Возможны различные физические механизмы реализации данной идеи (рис.1), а именно:
1) прямая стыковка,
2) резонансная волноводная секция,
3) плавно сужающаяся волноводная секция,
4) направленный ответвитель.[1]
1. Ввод излучения при прямой стыковке волноводов
В случае прямой стыковки (рис.1а) волноводы приводятся в непосредственный физический контакт друг с другом. Этот вид стыковки волноводов широко используется для волоконно-оптического оборудования при стыковке оптических волокон при помощи коннекторов и адаптеров. Однако при вводе излучения в субволновые волноводы излучение не только проходит из первого волновода во второй, но также отражается назад и рассеивается в стороны из-за различных импедансов волноводов и различного распределения электромагнитного поля мод, распространяющихся в них (рис.2). Чем более похожи распределения электромагнитных мод стыкуемых волноводов, тем выше коэффициент ввода (КВ) излучения. Теоретически рассчитанные значения коэффициента ввода излучения из кремниевого волновода в плазмонный волновод сходного размера обычно имеют величину порядка 50% [1], однако для определенных сочетаний волноводов эта величина может достигать даже 90% [2]. На практике же экспериментально измеренные значения существенно меньше, например, в работе [3] был продемонстрирован коэффициент ввода около 30% для длины волны λ = 1,55 мкм.
2. Использование резонансной волноводной секции
Идея использования резонансной вставки (рис.1b) сходна с идеями использования просветляющих покрытий с показателем преломления n и толщиной λ / 4n (λ – длина волны в вакууме) в оптическом диапазоне и четвертьволновых трансформаторов в СВЧ-диапазоне. Физически, высокое пропускание достигается благодаря согласованию импедансов волноводов при помощи резонатора. Недостатком использования резонатора являются сужение рабочего диапазона длин волн и возрастание потерь в случае использования материала с потерями в резонаторе. Резонансная вставка может быть использована как для согласования плазмонных волноводов различных сечений [4], так и для согласования диэлектрического волновода с плазмонным волноводом. Например, при помощи численного моделирования было продемонстрировано согласование широкого (500 нм) и узкого (50 нм) плазмонных волноводов с коэффициентом ввода 86% [4].
3. Использование плавно сужающейся волноводной секции
Плавно сужающаяся волноводная секция (рис.1c), вставленная между двумя волноводами различных сечений, отчасти похожа на предыдущий тип УВВ, однако основное ее отличие – она не является резонансной. Физический принцип работы – минимизация обратного отражения и рассеяния при плавном адиабатическом преобразовании волноводной моды. Для сужающейся секции без потерь самый высокий коэффициент ввода достигался бы при бесконечной длине этой секции. На практике же оптимальная длина определяется балансом [5] между поглощением и рассеянием.
Плавно сужающаяся секция может быть выполнена из того же материала, что и сам волновод (диэлектрик, металл), а может быть получена из структурированного материала (метаматериала). Диэлектрические плавно сужающиеся волноводы могут быть сделаны путем вытягивания разогретого оптического волокна [6], однако даже сужая тонкий волновод до субволновых размеров, невозможно достичь субволнового размера моды в силу естественного дифракционного ограничения. Короткие обратные диэлектрические сужающиеся секции нашли свое применение и для ввода излучения в фотоннокристаллические волноводы, где их применение позволяет снизить отражение при вводе излучения до 1% [7].
Теоретически были показаны возможности передачи излучения между плазмонными волноводами с КВ около 70% на длине волны 1,5 мкм [1]. Экспериментально измеренный коэффициент ввода из волновода шириной 1500 нм в металлический нанопровод шириной 30 нм составил 56% [5] на длине волны 1,425 мкм.
Использование структурированных метаматериалов в сужающейся секции создает как дополнительные трудности при изготовлении структур, так и дополнительные потери, присущие метаматериалам ввиду резонансных элементов, из которых они состоят. Например, в работе [8] была теоретически показана концентрация излучения до размера λ / 30, однако пропускание составило всего лишь 13%.
Использование плавно сужающейся волноводной секции позволяет достигать чрезвычайно высоких значений напряженности электрического поля как в оптическом [9] так и в терагерцевом [10] диапазонах.
4. УВВ на основе направленного ответвителя
Работа направленного ответвителя (рис.3) основана на гибридизации мод отдельных волноводов при достаточно сильной связи и малом расстоянии между ними. Распространяющаяся мода входного волновода в гибридной секции превращается в линейную комбинацию собственных мод гибридной секции. При распространении мод происходят пространственные биения и максимум энергии наблюдается то в одном, то в другом волноводах. Выбирая длину гибридной секции определенным образом, возможно добиться максимальной передачи энергии из первого волновода во второй. Подобные устройства применяются как в СВЧ технике, так и в оптике (например, сплавные мультиплексоры в волоконной оптике).
Подобные устройства для ввода излучения из диэлектрических в плазмонные волноводы были продемонстрированы как теоретически, так и экспериментально [11–13]. Длина области связи в различных системах варьировалась от нескольких микрометров [12] до десятков и даже сотен микрометров [14], в зависимости от типов взаимодействующих волноводов. Теоретически рассчитанный и экспериментально измеренный коэффициент ввода излучения на длине волны 1,55 мкм из кремниевого волновода в щелевой плазмонный волновод составил 60% [12].
В некоторых случаях возможно не только традиционное расположение волноводов рядом другом с другом, но и такая ситуация, когда один волновод проникает в другой. В частности, возможно вставить кремниевый волновод в плазмонный щелевой волновод. Теоретическое значение коэффициента ввода 88% на практике составило всего лишь 35% [15].
УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА
НА ОСНОВЕ РАССЕИВАТЕЛЕЙ
Рассмотренные в первой части данной статьи [16] устройства ввода-вывода на основе оптически больших линз (поперечные размеры много больше длины волны) позволяют вводить излучение в субволновые волноводы из свободного пространства. Схожую функцию выполняют и УВВ на основе дискретных рассеивателей, отличаясь тем, что отдельные рассеиватели имеют характерные геометрические размеры, сравнимые с длиной волны. Кроме того, УВВ на основе рассеивателей, как правило, хотя и необязательно, интегрированы с самим волноводом, в отличие от линз. Рассмотрим два основных типа УВВ на основе рассеивателей:
1) УВВ на основе наноантенн;
2) УВВ на основе дифракционных решеток.
1. УВВ на основе наноантенн
Антенна – это устройство, которое преобразует свободно распространяющееся электромагнитное излучение в локализованную форму и наоборот [17, 18]. В таком качестве антенны используются уже более столетия для теле- и радиосвязи, преобразуя электромагнитные волны в моды субволновых волноводов (например, коаксиальных кабелей). Однако использование антенн в оптическом диапазоне началось всего пару десятков лет назад, что было связано с прогрессом технологии нанофабрикации металлических и диэлектрических структур. Строго говоря, большие оптические линзы также могут рассматриваться в качестве антенн, однако в данном разделе мы будем понимать под антенной оптически небольшую резонансную частицу. Изначально в качестве антенн рассматривались металлические частицы, однако в последние несколько лет большое внимание привлекли к себе и диэлектрические частицы с высоким показателем преломления [18]. Оптические наноантенны находят применение в спектроскопии, сенсорных устройствах, фотогальванических элементах и микроскопии. Падающее оптическое излучение возбуждает локализованные плазмоны-поляритоны в плазмонных частицах или резонансы Ми в диэлектрических частицах, что позволяет концентрировать электромагнитную энергию в малых объемах пространства (например, в разрезе дипольной антенны), достигать больших значений напряженности электромагнитного поля и использовать это явление для ввода излучения в волновод (рис.4а).
В численном эксперименте был продемонстрирован коэффициент ввода около 10% для дипольной антенны на длине волны 1,55 мкм, подключенной к плазмонному щелевому волноводу [19], а также показано, что коэффициент ввода может быть увеличен до 26% за счет использования дополнительных отражателей [20]. Экспериментально измеренный коэффициент ввода составил 15% [21].
Несмотря на невысокий коэффициент ввода излучения в волновод, оптические антенны имеют важные достоинства. Во-первых, они компактны, что существенно для плотной интеграции оптических элементов. Во-вторых, изменяя геометрический дизайн, можно делать антенны как направленными, так и ненаправленными, а также настраивать их на требуемую длину волны в соответствии с требованиями определенного применения.
2. УВВ на основе дифракционных решеток
Если объединить несколько металлических или диэлектрических антенн в упорядоченный массив, получится своего рода дифракционная решетка, которая также может использоваться в качестве УВВ (рис.4b). В отличие от стандартной оптической дифракционной решетки, состоящей из большого числа нерезонансных элементов (например, длинных линий), решетка из антенн состоит из нескольких маленьких резонансных элементов. Плазмоны, возбуждаемые в каждой металлической антенне, далее распространяются в плазмонном волноводе. Очевидно, что для эффективного возбуждения моды необходимо соблюдение фазового условия между антеннами, что определяет величину периода решетки.
Стоит заметить, что дифракционная решетка – один из наиболее популярных способов возбуждения широких кремниевых волноводов из оптического волокна с диаметром моды около 10 мкм на длине волны 1,55 мкм. При этом излучение падает под небольшим углом к нормали к плоскости волновода. Максимальный продемонстрированный коэффициент ввода составил около 70% [22]. Решетки более сложного профиля, нежели линии с равным периодом (аподизированные решетки), продемонстрировали теоретически и экспериментально коэффициент ввода до 87% [23].
Дифракционные решетки могут быть также использованы для плазмонных волноводов. Для широкого волновода была предложена решетка с коэффициентом ввода 68% [24]. Система из нескольких соединенных плазмонных антенн была рассчитана численно и экспериментально измерена при помощи сканирующего ближнеполевого оптического микроскопа [25].
Дифракционные решетки преимущественно представляют из себя периодические массивы дискретных рассеивателей. Было также показано, что при некоторых условиях массивы случайно расположенных рассеивателей также могут использоваться для фокусировки излучения [26] и, соответственно, как УВВ. Очевидно, однако, что достичь таким образом высоких коэффициентов ввода вряд ли возможно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы рассмотрели три класса устройств ввода-вывода на основе линз, связанных волноводов и дискретных рассеивателей. Для горизонтального ввода излучения (излучение распространяется вдоль волновода) наиболее эффективными и часто используемыми являются УВВ на основе плавно сужающейся волноводной секции, в то время как для вертикального – УВВ на основе дифракционных решеток. Оптические антенны в качестве УВВ имеют хоть и невысокую эффективность, но, что немаловажно, компактный размер. УВВ на основе диэлектрических линз хотя и имеют высокий коэффициент пропускания, но не позволяют достаточно сфокусировать излучение для эффективного ввода в субволновой волновод. Линзы из материала с гиперболической дисперсией, напротив, позволяют достигать субдифракционной фокусировки, но имеют малый коэффициент пропускания.
На практике для ввода излучения в субволновой волновод могут одновременно использоваться несколько типов УВВ. Например, излучение, предварительно сфокусированное при помощи линзы, может вводиться в плазмонный волновод при помощи дифракционной решетки, а далее сжиматься при помощи плавно сужающейся секции [5]. Кроме комбинации отдельных типов УВВ возможно и создание УВВ как единого устройства со сложной геометрией. Действительно, можно задать условия на распределение входного (например, мода оптического волокна) и выходного (например, мода металлического нанопровода) электромагнитного поля и поручить компьютеру определение геометрического расположения металла и диэлектрика внутри УВВ, которое обеспечивает требуемый коэффициент ввода. Подобные задачи решает топологическая оптимизация [24], при этом оптимальная геометрия устройств может быть весьма замысловатой, но реалистичной с точки зрения изготовления.
Помимо просто ввода излучения в нановолноводы, вышеперечисленные УВВ, содержащие нелинейные материалы с перестраиваемыми свойствами, могут работать в качестве активных элементов, таких как переключатели, модуляторы, преобразователи мод и пр. Эта идея соответствует глобальному направлению развития как УВВ, так и прочих направлений нанофотоники, а именно улучшению технологий нанофабрикации и использованию новых материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Song Y., Wang J., Li Q., Yan M., Qiu M. Broadband coupler between silicon waveguide and hybrid plasmonic waveguide. – Opt. Express, Jun. 2010. v.18, № 12, p.13173.
2. Chen X.W., Sandoghdar V., Agio M. Highly efficient interfacing of guided plasmons and photons in nanowires. – Nano Lett., 2009, v.9, № 11, p.3756–3761.
3. Han Z., Elezzabi A.Y., Van V. Experimental realization of subwavelength plasmonic slot waveguides on a silicon platform. – Opt. Lett., Feb. 2010, v.35, № 4, p.502–504.
4. Ginzburg P. Orenstein M. Plasmonic transmission lines: from micro to nano scale with lambda/4 impedance matching. – Opt. Express, May 2007, v.15, № 11, p.6762–7.
5. Zenin V.A., Andryieuski A., Malureanu R., Radko I.P., Volkov V.S., Gramotnev D.K., Lavrinenko A.V., Bozhevolnyi S.I. Boosting Local Field Enhancement by on-Chip Nanofocusing and Impedance-Matched Plasmonic Antennas. – Nano Lett., 2015, v.15, № 12, p.8148–8154.
6. Brambilla G., Finazzi V., Richardson D.J. Ultra-low-loss optical fiber nanotapers. – Opt. Express, 2004, v. 12, № 10, p. 4421–4425.
7. Tran Q. V., Combrie S., Colman P., De Rossi A. Photonic crystal membrane waveguides with low insertion losses. – Appl. Phys. Lett., 2009, v.95, p.061105.
8. Govyadinov A., Podolskiy V. Metamaterial photonic funnels for subdiffraction light compression and propagation. – Phys. Rev. B, Apr. 2006, v.73, № 15, p.155108.
9. Park I.-Y., Kim S., Choi J., Lee D.-H., Kim Y.-J., Kling M.F., Stockman M.I., Kim S.–W. Plasmonic generation of ultrashort extreme-ultraviolet light pulses. – Nat. Photonics, 2011, v.5, № 11, p.677–681.
10. Iwaszczuk K., Andryieuski A., Lavrinenko A., Zhang X., Jepsen P.U. Terahertz field enhancement to the MV / cm regime in a tapered parallel plate waveguide Abstract. – Opt. Express, 2012, v.20, № 8, p.1289–1295.
11. Yan R., Pausauskie P., Huang J., Yang P. Direct photonic-plasmonic coupling and routing in single nanowires. – Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., Dec. 2009, v.106, № 50, p.21045–50.
12. Delacour C., Blaize S., Grosse P., Fedeli J.M., Bruyant A., Salas-Montiel R., Lerondel G., Chelnokov A. Efficient Directional Coupling between Silicon and Copper Plasmonic Nanoslot Waveguides: toward Metal–Oxide–Silicon Nanophotonics. – Nano Lett., Jul. 2010, v.10, p.2922–2926.
13. Li Q., Wang S., Chen Y., Yan M., Tong L., Qiu M., Synthesization A. S. N. Experimental Demonstration of Plasmon Propagation, Coupling, and Splitting in Silver Nanowire at 1550-nm Wavelength. – IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 2011, v.17, № 4, p.1107–1111.
14. Dong S., Ding H., Liu Y., Qi X. Investigation of evanescent coupling between tapered fiber and a multimode slab waveguide. – Appl. Opt., Apr.2012, v.51, № 10, p.C152–7.
15. Tian J., Yu S., Yan W., Qiu M. Broadband high-efficiency surface-plasmon-polariton coupler with silicon-metal interface. – Appl. Phys. Lett., 2009, v.95, № 1, p.013504.
16. Андриевский А. Устройства ввода-вывода оптического излучения для субволновых волноводов. Часть 1. – Фотоника, 2016, № 1, p.98–110.
17. Novotny L. and N. van Hulst. Antennas for light. – Nat. Photonics, Feb. 2011, v.5, № 2, p.83–90.
18. Краснок А.Е., Максимов И.С., Денисюк А.И., Белов П.А., Мирошниченко А.Е., Симовский К.Р., Кившарь Ю.С. Оптические наноантенны. – Успехи физических наук, 2013, v.183, p.561–589.
19. Wen J., Romanov S., Peschel U. Excitation of plasmonic gap waveguides by nanoantennas. – Opt. Express, 2009, v.17, № 8, p.5925–5932.
20. Andryieuski A., Malureanu R., Biagi G., Holmgaard T., Lavrinenko A. Compact dipole nanoantenna coupler to plasmonic slot waveguide. – Opt. Lett., Mar. 2012, v.37, № 6, p.1124–6.
21. Wen J., Banzer P., Kriesch A., Ploss D., Schmauss B., Peschel U. Experimental cross-polarization detection of coupling far-field light to highly confined plasmonic gap modes via nanoantennas. – Appl. Phys. Lett., 2011, v.98, № 10, p.101109.
22. Vermeulen D., Selvaraja S., Verheyen P., Lepage G., Bogaerts W., Absil P., Van Thourhout D., Roelkens G., Van Thourhout D. High-efficiency fiber-to-chip grating couplers realized using an advanced CMOS-compatible silicon-on-insulator platform. – Opt. Express, Aug. 2010, v. 18, № 17, p.18278–18283.
23. Zaoui W. S., Kunze A., Vogel W., Berroth M., Butschke J., Letzkus F., Burghartz J. Bridging the gap between optical fibers and silicon photonic integrated circuits. – Opt. Express, Jan. 2014, v.22, № 2, p.1277.
24. Andkjжr J., Nishiwaki S., Nomura T., Sigmund O. Topology optimization of grating couplers for the efficient excitation of surface plasmons. – JOSA B, 2010, v.27, № 9, p.1828–1832.
25. Andryieuski A., Zenin V.A., Malureanu R., Volkov V.S., Bozhevolnyi S.I., Lavrinenko A.V. Direct characterization of plasmonic slot waveguides and nanocouplers. – Nano Lett., 2014, v.14, № 7, p.3925–3929.
26. Vellekoop I.M., Lagendijk A., Mosk A.P. Exploiting disorder for perfect focusing. – Nat. Photonics, 2010, v. 4, № February, p.320–322.
Эффективные технологии ввода излучения в некоторые типы широких несубволновых волноводов, например в оптическое волокно или в кремниевые интегральные волноводы, разработаны достаточно хорошо. Соответственно, можно предварительно вводить оптическое излучение в широкий волновод, а далее передавать его в субволновой волновод. Возможны различные физические механизмы реализации данной идеи (рис.1), а именно:
1) прямая стыковка,
2) резонансная волноводная секция,
3) плавно сужающаяся волноводная секция,
4) направленный ответвитель.[1]
1. Ввод излучения при прямой стыковке волноводов
В случае прямой стыковки (рис.1а) волноводы приводятся в непосредственный физический контакт друг с другом. Этот вид стыковки волноводов широко используется для волоконно-оптического оборудования при стыковке оптических волокон при помощи коннекторов и адаптеров. Однако при вводе излучения в субволновые волноводы излучение не только проходит из первого волновода во второй, но также отражается назад и рассеивается в стороны из-за различных импедансов волноводов и различного распределения электромагнитного поля мод, распространяющихся в них (рис.2). Чем более похожи распределения электромагнитных мод стыкуемых волноводов, тем выше коэффициент ввода (КВ) излучения. Теоретически рассчитанные значения коэффициента ввода излучения из кремниевого волновода в плазмонный волновод сходного размера обычно имеют величину порядка 50% [1], однако для определенных сочетаний волноводов эта величина может достигать даже 90% [2]. На практике же экспериментально измеренные значения существенно меньше, например, в работе [3] был продемонстрирован коэффициент ввода около 30% для длины волны λ = 1,55 мкм.
2. Использование резонансной волноводной секции
Идея использования резонансной вставки (рис.1b) сходна с идеями использования просветляющих покрытий с показателем преломления n и толщиной λ / 4n (λ – длина волны в вакууме) в оптическом диапазоне и четвертьволновых трансформаторов в СВЧ-диапазоне. Физически, высокое пропускание достигается благодаря согласованию импедансов волноводов при помощи резонатора. Недостатком использования резонатора являются сужение рабочего диапазона длин волн и возрастание потерь в случае использования материала с потерями в резонаторе. Резонансная вставка может быть использована как для согласования плазмонных волноводов различных сечений [4], так и для согласования диэлектрического волновода с плазмонным волноводом. Например, при помощи численного моделирования было продемонстрировано согласование широкого (500 нм) и узкого (50 нм) плазмонных волноводов с коэффициентом ввода 86% [4].
3. Использование плавно сужающейся волноводной секции
Плавно сужающаяся волноводная секция (рис.1c), вставленная между двумя волноводами различных сечений, отчасти похожа на предыдущий тип УВВ, однако основное ее отличие – она не является резонансной. Физический принцип работы – минимизация обратного отражения и рассеяния при плавном адиабатическом преобразовании волноводной моды. Для сужающейся секции без потерь самый высокий коэффициент ввода достигался бы при бесконечной длине этой секции. На практике же оптимальная длина определяется балансом [5] между поглощением и рассеянием.
Плавно сужающаяся секция может быть выполнена из того же материала, что и сам волновод (диэлектрик, металл), а может быть получена из структурированного материала (метаматериала). Диэлектрические плавно сужающиеся волноводы могут быть сделаны путем вытягивания разогретого оптического волокна [6], однако даже сужая тонкий волновод до субволновых размеров, невозможно достичь субволнового размера моды в силу естественного дифракционного ограничения. Короткие обратные диэлектрические сужающиеся секции нашли свое применение и для ввода излучения в фотоннокристаллические волноводы, где их применение позволяет снизить отражение при вводе излучения до 1% [7].
Теоретически были показаны возможности передачи излучения между плазмонными волноводами с КВ около 70% на длине волны 1,5 мкм [1]. Экспериментально измеренный коэффициент ввода из волновода шириной 1500 нм в металлический нанопровод шириной 30 нм составил 56% [5] на длине волны 1,425 мкм.
Использование структурированных метаматериалов в сужающейся секции создает как дополнительные трудности при изготовлении структур, так и дополнительные потери, присущие метаматериалам ввиду резонансных элементов, из которых они состоят. Например, в работе [8] была теоретически показана концентрация излучения до размера λ / 30, однако пропускание составило всего лишь 13%.
Использование плавно сужающейся волноводной секции позволяет достигать чрезвычайно высоких значений напряженности электрического поля как в оптическом [9] так и в терагерцевом [10] диапазонах.
4. УВВ на основе направленного ответвителя
Работа направленного ответвителя (рис.3) основана на гибридизации мод отдельных волноводов при достаточно сильной связи и малом расстоянии между ними. Распространяющаяся мода входного волновода в гибридной секции превращается в линейную комбинацию собственных мод гибридной секции. При распространении мод происходят пространственные биения и максимум энергии наблюдается то в одном, то в другом волноводах. Выбирая длину гибридной секции определенным образом, возможно добиться максимальной передачи энергии из первого волновода во второй. Подобные устройства применяются как в СВЧ технике, так и в оптике (например, сплавные мультиплексоры в волоконной оптике).
Подобные устройства для ввода излучения из диэлектрических в плазмонные волноводы были продемонстрированы как теоретически, так и экспериментально [11–13]. Длина области связи в различных системах варьировалась от нескольких микрометров [12] до десятков и даже сотен микрометров [14], в зависимости от типов взаимодействующих волноводов. Теоретически рассчитанный и экспериментально измеренный коэффициент ввода излучения на длине волны 1,55 мкм из кремниевого волновода в щелевой плазмонный волновод составил 60% [12].
В некоторых случаях возможно не только традиционное расположение волноводов рядом другом с другом, но и такая ситуация, когда один волновод проникает в другой. В частности, возможно вставить кремниевый волновод в плазмонный щелевой волновод. Теоретическое значение коэффициента ввода 88% на практике составило всего лишь 35% [15].
УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА
НА ОСНОВЕ РАССЕИВАТЕЛЕЙ
Рассмотренные в первой части данной статьи [16] устройства ввода-вывода на основе оптически больших линз (поперечные размеры много больше длины волны) позволяют вводить излучение в субволновые волноводы из свободного пространства. Схожую функцию выполняют и УВВ на основе дискретных рассеивателей, отличаясь тем, что отдельные рассеиватели имеют характерные геометрические размеры, сравнимые с длиной волны. Кроме того, УВВ на основе рассеивателей, как правило, хотя и необязательно, интегрированы с самим волноводом, в отличие от линз. Рассмотрим два основных типа УВВ на основе рассеивателей:
1) УВВ на основе наноантенн;
2) УВВ на основе дифракционных решеток.
1. УВВ на основе наноантенн
Антенна – это устройство, которое преобразует свободно распространяющееся электромагнитное излучение в локализованную форму и наоборот [17, 18]. В таком качестве антенны используются уже более столетия для теле- и радиосвязи, преобразуя электромагнитные волны в моды субволновых волноводов (например, коаксиальных кабелей). Однако использование антенн в оптическом диапазоне началось всего пару десятков лет назад, что было связано с прогрессом технологии нанофабрикации металлических и диэлектрических структур. Строго говоря, большие оптические линзы также могут рассматриваться в качестве антенн, однако в данном разделе мы будем понимать под антенной оптически небольшую резонансную частицу. Изначально в качестве антенн рассматривались металлические частицы, однако в последние несколько лет большое внимание привлекли к себе и диэлектрические частицы с высоким показателем преломления [18]. Оптические наноантенны находят применение в спектроскопии, сенсорных устройствах, фотогальванических элементах и микроскопии. Падающее оптическое излучение возбуждает локализованные плазмоны-поляритоны в плазмонных частицах или резонансы Ми в диэлектрических частицах, что позволяет концентрировать электромагнитную энергию в малых объемах пространства (например, в разрезе дипольной антенны), достигать больших значений напряженности электромагнитного поля и использовать это явление для ввода излучения в волновод (рис.4а).
В численном эксперименте был продемонстрирован коэффициент ввода около 10% для дипольной антенны на длине волны 1,55 мкм, подключенной к плазмонному щелевому волноводу [19], а также показано, что коэффициент ввода может быть увеличен до 26% за счет использования дополнительных отражателей [20]. Экспериментально измеренный коэффициент ввода составил 15% [21].
Несмотря на невысокий коэффициент ввода излучения в волновод, оптические антенны имеют важные достоинства. Во-первых, они компактны, что существенно для плотной интеграции оптических элементов. Во-вторых, изменяя геометрический дизайн, можно делать антенны как направленными, так и ненаправленными, а также настраивать их на требуемую длину волны в соответствии с требованиями определенного применения.
2. УВВ на основе дифракционных решеток
Если объединить несколько металлических или диэлектрических антенн в упорядоченный массив, получится своего рода дифракционная решетка, которая также может использоваться в качестве УВВ (рис.4b). В отличие от стандартной оптической дифракционной решетки, состоящей из большого числа нерезонансных элементов (например, длинных линий), решетка из антенн состоит из нескольких маленьких резонансных элементов. Плазмоны, возбуждаемые в каждой металлической антенне, далее распространяются в плазмонном волноводе. Очевидно, что для эффективного возбуждения моды необходимо соблюдение фазового условия между антеннами, что определяет величину периода решетки.
Стоит заметить, что дифракционная решетка – один из наиболее популярных способов возбуждения широких кремниевых волноводов из оптического волокна с диаметром моды около 10 мкм на длине волны 1,55 мкм. При этом излучение падает под небольшим углом к нормали к плоскости волновода. Максимальный продемонстрированный коэффициент ввода составил около 70% [22]. Решетки более сложного профиля, нежели линии с равным периодом (аподизированные решетки), продемонстрировали теоретически и экспериментально коэффициент ввода до 87% [23].
Дифракционные решетки могут быть также использованы для плазмонных волноводов. Для широкого волновода была предложена решетка с коэффициентом ввода 68% [24]. Система из нескольких соединенных плазмонных антенн была рассчитана численно и экспериментально измерена при помощи сканирующего ближнеполевого оптического микроскопа [25].
Дифракционные решетки преимущественно представляют из себя периодические массивы дискретных рассеивателей. Было также показано, что при некоторых условиях массивы случайно расположенных рассеивателей также могут использоваться для фокусировки излучения [26] и, соответственно, как УВВ. Очевидно, однако, что достичь таким образом высоких коэффициентов ввода вряд ли возможно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мы рассмотрели три класса устройств ввода-вывода на основе линз, связанных волноводов и дискретных рассеивателей. Для горизонтального ввода излучения (излучение распространяется вдоль волновода) наиболее эффективными и часто используемыми являются УВВ на основе плавно сужающейся волноводной секции, в то время как для вертикального – УВВ на основе дифракционных решеток. Оптические антенны в качестве УВВ имеют хоть и невысокую эффективность, но, что немаловажно, компактный размер. УВВ на основе диэлектрических линз хотя и имеют высокий коэффициент пропускания, но не позволяют достаточно сфокусировать излучение для эффективного ввода в субволновой волновод. Линзы из материала с гиперболической дисперсией, напротив, позволяют достигать субдифракционной фокусировки, но имеют малый коэффициент пропускания.
На практике для ввода излучения в субволновой волновод могут одновременно использоваться несколько типов УВВ. Например, излучение, предварительно сфокусированное при помощи линзы, может вводиться в плазмонный волновод при помощи дифракционной решетки, а далее сжиматься при помощи плавно сужающейся секции [5]. Кроме комбинации отдельных типов УВВ возможно и создание УВВ как единого устройства со сложной геометрией. Действительно, можно задать условия на распределение входного (например, мода оптического волокна) и выходного (например, мода металлического нанопровода) электромагнитного поля и поручить компьютеру определение геометрического расположения металла и диэлектрика внутри УВВ, которое обеспечивает требуемый коэффициент ввода. Подобные задачи решает топологическая оптимизация [24], при этом оптимальная геометрия устройств может быть весьма замысловатой, но реалистичной с точки зрения изготовления.
Помимо просто ввода излучения в нановолноводы, вышеперечисленные УВВ, содержащие нелинейные материалы с перестраиваемыми свойствами, могут работать в качестве активных элементов, таких как переключатели, модуляторы, преобразователи мод и пр. Эта идея соответствует глобальному направлению развития как УВВ, так и прочих направлений нанофотоники, а именно улучшению технологий нанофабрикации и использованию новых материалов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Song Y., Wang J., Li Q., Yan M., Qiu M. Broadband coupler between silicon waveguide and hybrid plasmonic waveguide. – Opt. Express, Jun. 2010. v.18, № 12, p.13173.
2. Chen X.W., Sandoghdar V., Agio M. Highly efficient interfacing of guided plasmons and photons in nanowires. – Nano Lett., 2009, v.9, № 11, p.3756–3761.
3. Han Z., Elezzabi A.Y., Van V. Experimental realization of subwavelength plasmonic slot waveguides on a silicon platform. – Opt. Lett., Feb. 2010, v.35, № 4, p.502–504.
4. Ginzburg P. Orenstein M. Plasmonic transmission lines: from micro to nano scale with lambda/4 impedance matching. – Opt. Express, May 2007, v.15, № 11, p.6762–7.
5. Zenin V.A., Andryieuski A., Malureanu R., Radko I.P., Volkov V.S., Gramotnev D.K., Lavrinenko A.V., Bozhevolnyi S.I. Boosting Local Field Enhancement by on-Chip Nanofocusing and Impedance-Matched Plasmonic Antennas. – Nano Lett., 2015, v.15, № 12, p.8148–8154.
6. Brambilla G., Finazzi V., Richardson D.J. Ultra-low-loss optical fiber nanotapers. – Opt. Express, 2004, v. 12, № 10, p. 4421–4425.
7. Tran Q. V., Combrie S., Colman P., De Rossi A. Photonic crystal membrane waveguides with low insertion losses. – Appl. Phys. Lett., 2009, v.95, p.061105.
8. Govyadinov A., Podolskiy V. Metamaterial photonic funnels for subdiffraction light compression and propagation. – Phys. Rev. B, Apr. 2006, v.73, № 15, p.155108.
9. Park I.-Y., Kim S., Choi J., Lee D.-H., Kim Y.-J., Kling M.F., Stockman M.I., Kim S.–W. Plasmonic generation of ultrashort extreme-ultraviolet light pulses. – Nat. Photonics, 2011, v.5, № 11, p.677–681.
10. Iwaszczuk K., Andryieuski A., Lavrinenko A., Zhang X., Jepsen P.U. Terahertz field enhancement to the MV / cm regime in a tapered parallel plate waveguide Abstract. – Opt. Express, 2012, v.20, № 8, p.1289–1295.
11. Yan R., Pausauskie P., Huang J., Yang P. Direct photonic-plasmonic coupling and routing in single nanowires. – Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., Dec. 2009, v.106, № 50, p.21045–50.
12. Delacour C., Blaize S., Grosse P., Fedeli J.M., Bruyant A., Salas-Montiel R., Lerondel G., Chelnokov A. Efficient Directional Coupling between Silicon and Copper Plasmonic Nanoslot Waveguides: toward Metal–Oxide–Silicon Nanophotonics. – Nano Lett., Jul. 2010, v.10, p.2922–2926.
13. Li Q., Wang S., Chen Y., Yan M., Tong L., Qiu M., Synthesization A. S. N. Experimental Demonstration of Plasmon Propagation, Coupling, and Splitting in Silver Nanowire at 1550-nm Wavelength. – IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., 2011, v.17, № 4, p.1107–1111.
14. Dong S., Ding H., Liu Y., Qi X. Investigation of evanescent coupling between tapered fiber and a multimode slab waveguide. – Appl. Opt., Apr.2012, v.51, № 10, p.C152–7.
15. Tian J., Yu S., Yan W., Qiu M. Broadband high-efficiency surface-plasmon-polariton coupler with silicon-metal interface. – Appl. Phys. Lett., 2009, v.95, № 1, p.013504.
16. Андриевский А. Устройства ввода-вывода оптического излучения для субволновых волноводов. Часть 1. – Фотоника, 2016, № 1, p.98–110.
17. Novotny L. and N. van Hulst. Antennas for light. – Nat. Photonics, Feb. 2011, v.5, № 2, p.83–90.
18. Краснок А.Е., Максимов И.С., Денисюк А.И., Белов П.А., Мирошниченко А.Е., Симовский К.Р., Кившарь Ю.С. Оптические наноантенны. – Успехи физических наук, 2013, v.183, p.561–589.
19. Wen J., Romanov S., Peschel U. Excitation of plasmonic gap waveguides by nanoantennas. – Opt. Express, 2009, v.17, № 8, p.5925–5932.
20. Andryieuski A., Malureanu R., Biagi G., Holmgaard T., Lavrinenko A. Compact dipole nanoantenna coupler to plasmonic slot waveguide. – Opt. Lett., Mar. 2012, v.37, № 6, p.1124–6.
21. Wen J., Banzer P., Kriesch A., Ploss D., Schmauss B., Peschel U. Experimental cross-polarization detection of coupling far-field light to highly confined plasmonic gap modes via nanoantennas. – Appl. Phys. Lett., 2011, v.98, № 10, p.101109.
22. Vermeulen D., Selvaraja S., Verheyen P., Lepage G., Bogaerts W., Absil P., Van Thourhout D., Roelkens G., Van Thourhout D. High-efficiency fiber-to-chip grating couplers realized using an advanced CMOS-compatible silicon-on-insulator platform. – Opt. Express, Aug. 2010, v. 18, № 17, p.18278–18283.
23. Zaoui W. S., Kunze A., Vogel W., Berroth M., Butschke J., Letzkus F., Burghartz J. Bridging the gap between optical fibers and silicon photonic integrated circuits. – Opt. Express, Jan. 2014, v.22, № 2, p.1277.
24. Andkjжr J., Nishiwaki S., Nomura T., Sigmund O. Topology optimization of grating couplers for the efficient excitation of surface plasmons. – JOSA B, 2010, v.27, № 9, p.1828–1832.
25. Andryieuski A., Zenin V.A., Malureanu R., Volkov V.S., Bozhevolnyi S.I., Lavrinenko A.V. Direct characterization of plasmonic slot waveguides and nanocouplers. – Nano Lett., 2014, v.14, № 7, p.3925–3929.
26. Vellekoop I.M., Lagendijk A., Mosk A.P. Exploiting disorder for perfect focusing. – Nat. Photonics, 2010, v. 4, № February, p.320–322.
Отзывы читателей
