플라스틱

Plasmonics
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가시 스펙트럼의 부굴절을 촉진하는 플라스몬 도파관 설계

플라스모닉스 또는 나노플라스모닉스는[1] 나노미터 [2]눈금의 금속-유전체 인터페이스를 따라 광주파수로 신호를 생성, 검출 및 조작하는 것을 말합니다.광자학에서 영감을 받아 플라스모닉스는 광학 장치(나노포토닉스 참조)의 소형화 추세를 따르고 감지, 현미경 검사, 광통신 및 생물 광자학에서 [3]응용 분야를 찾습니다.

원칙

주요 기사:표면 플라즈몬, 표면 플라즈몬 폴라리톤 및 국소 표면 플라즈몬

플라스모닉은 일반적으로 유전체(예: 유리, 공기)와 금속(예: 은, 금) 사이의 계면을 따라 전자파와 함께 이동하는 일관된 전자 진동인 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)[2]을 사용합니다.SPP 모드는 지원 인터페이스에만 한정되어 있어 강한 빛-물질 상호작용을 일으킵니다.특히 금속 중의 전자 가스는 전자파에 따라 진동한다.이동하는 전자는 산란하기 때문에 일반적으로 플라스몬 신호의 옴 손실이 크기 때문에 하이브리드 광플라스몬 [5][6][7]도광망이나 플라스몬 게인 증폭을[8] 사용하지 않는 한 신호 전달 거리가 서브 센티미터 범위로 제한됩니다.SPP 외에 금속 나노 입자가 지원하는 국부 표면 플라즈몬 모드를 플라즈몬 모드라고 합니다.두 모드 모두 광자 상태의 [9]국소 밀도를 강력하게 공진 증강할 수 있는 큰 운동량 값이 특징이며 광전자 소자의 약한 광학 효과를 증강하는 데 이용할 수 있다.

동기 부여와 현재의 과제

플라즈모닉스를 전기 회로 또는 전기 회로 아날로그에 통합하여 전자 장치의 크기 효율성과 포토닉 집적회로(PIC)[10]의 데이터 용량을 결합하려는 노력이 현재 이루어지고 있습니다.전기회로에 사용되는 CMOS 노드의 게이트길이는 계속 줄어들고 있지만, 기존 PIC의 크기는 회절에 의해 제한되기 때문에 향후 집적화의 장벽이 된다.플라스틱은 전자 부품과 광전자 부품 사이의 이러한 크기 불일치를 해소할 수 있습니다.동시에 광신호를 SPP로 변환할 수 있고 광신호를 SPP로 변환할 수 있기 때문에 광자와 플라스모닉은 서로 보완할 수 있다.

플라스몬 회로를 실현 가능한 현실로 만드는 데 있어 가장 큰 문제 중 하나는 표면 플라스몬의 짧은 전파 길이입니다.일반적으로 표면 플라스몬은 감쇠가 [11]신호를 감소시키기 전에 밀리미터 단위로만 거리를 이동합니다.이는 주로 오믹 손실 때문입니다. 오믹 손실은 전기장이 금속에 깊숙이 침투할수록 더욱 중요해집니다.연구자들은 다양한 물질, 기하학, 주파수 및 각각의 [12]특성을 조사함으로써 표면 플라즈몬 전파의 손실을 줄이려고 시도하고 있다.새롭게 유망한 저손실 플라스모닉 재료로는 그래핀뿐만 아니라 금속 산화물,[14] 질화물[13] 등이 있습니다.설계의 자유도를 높이기 위한 열쇠는 표면 거칠기를 줄임으로써 손실을 줄일 수 있는 개선된 제작 기법입니다.

또 다른 예측 가능한 장벽 플라스몬 회로는 열입니다. 플라스몬 회로 내의 열은 복잡한 전자 [11]회로에 의해 발생하는 열을 초과할 수도 있고 초과할 수도 없습니다.최근은inter-particle 격차 열에 게다가 흡수 그리고 Ohmic heating,[15][16][17]을 축소 빛 powerflow 순환하다 갇힌 광학 와류,를 지원하기 위해서를 고안함으로써plasmonic 네트워크에서 난방을 줄이기 위해 제안됐지만, 역시plasmonic 신호의 회로 재치의 방향 바꾸기가 매우 어렵다.hout signif진폭이 작아지고 전파 [10]길이가 짧아집니다.전파 방향을 구부리는 문제에 대한 현명한 해결책 중 하나는 Bragg 미러를 사용하여 특정 방향으로 신호를 각도화하거나 신호의 [18]스플리터 역할을 하는 것입니다.마지막으로, 열방출 조작 및 열보조 자기 기록을 위한 플라스모닉의 새로운 응용 분야는 금속의 Ohmic 손실을 활용하여 새로운 향상된 기능을 가진 장치를 얻는다.

도파관측

하이브리드 플라스몬 도파로의 현장 분포

최적의 플라스몬 도파관 설계는 플라스몬 회로 내에서 표면 플라스몬의 구속 및 전파 길이를 최대화하기 위해 노력합니다.표면 플라즈몬 폴라리톤은 금속-유전체 계면에 평행하고 수직인 성분을 가진 복잡한 파동 벡터를 특징으로 합니다.파동 벡터 성분의 가상 부분은 SPP 전파 길이에 반비례하며, 실제 부분은 SPP 제한을 [21]정의한다.SPP 분산 특성은 도파관을 구성하는 재료의 유전 상수에 따라 달라집니다.표면 플라즈몬 폴라리톤파의 전파 길이와 제한은 반비례 관계에 있다.따라서 모드의 구속이 강할수록 일반적으로 전파 길이가 짧아집니다.실용적이고 사용 가능한 표면 플라스몬 회로의 구성은 전파와 제한 사이의 타협에 크게 좌우됩니다.제한과 전파 길이를 모두 최대화하면 제한보다 전파 길이를 선택하는 단점을 완화할 수 있습니다.강력한 구속과 충분한 전파 길이를 가진 플라스몬 회로를 추구하여 여러 유형의 도파로가 생성되었습니다.가장 일반적인 유형으로는 절연체-금속-절연체(IMI),[22] 금속-절연체-금속(MIM),[23] 유전체 부하 표면 플라즈몬 폴라리톤(DLSPP),[24][25] 갭 플라즈몬 폴라리톤(GPP),[26] 채널 플라즈몬 폴라리톤(CPP),[27] 웨지 [28]표면 플라즈몬 폴라리톤(Wedge-mon Polariton) 및 하이브리드 파형이 있습니다.금속의 SPP 전파에 따른 소산 손실은 게인 증폭 또는 섬유 및 결합 공진기 [29][30]도파관 등의 광전자 요소를 가진 하이브리드 네트워크에 결합함으로써 완화될 수 있다.이 설계로 인해 앞에서 언급한 하이브리드 플라스몬 도파관이 발생할 수 있으며, 이 도파관은 허용 가능한 전파 [31][32][33][34]길이와 함께 빛의 회절 한계 10분의 1 축척에서 서브파장 모드를 나타냅니다.

커플링

플라스모닉 회선의 입력 포트와 출력 포트는 각각 광신호를 송수신합니다.이를 위해서는 표면 플라즈몬에 대한 광신호의 결합 및 디커플링이 필요합니다.[35]표면 플라즈몬의 분산 관계는 전적으로 빛에 대한 분산 관계보다 낮습니다. 즉, 플라즈몬 [10]회로에서 발생하는 입사광과 표면 플라즈몬 폴라리톤파 사이의 운동량 보존을 달성하기 위해 입력 커플러가 추가 운동량을 제공해야 합니다.여기에는 유전체 프리즘, 격자 또는 금속 표면의 국부적 산란 소자를 사용하여 입사광의 모멘타와 표면 [36]플라스몬을 일치시킴으로써 결합을 유도하는 것을 포함한 몇 가지 해결책이 있습니다.표면 플라즈몬이 생성되어 목적지로 전송된 후 전기 신호로 변환될 수 있습니다.금속 평면에서 광검출기를 사용하거나 표면 플라즈몬을 자유롭게 전파되는 빛으로 분리하여 전기 신호로 [10]변환할 수 있습니다.혹은 광섬유 또는 도파로 전파모드에 아웃커플링할 수 있다.

액티브 디바이스

지난 50년간 표면 플라스몬의 진보는 능동형 및 수동형 장치의 개발로 이어졌다.액티브 디바이스의 몇 가지 주요 영역은 광학, 열광학 및 전기광학입니다.전광학 장치는 변조기로 사용될 때 정보 처리, 통신 및 데이터 저장을 위한 실행 가능한 소스가 될 수 있는 능력을 보여 왔습니다.하나의 예에서는 서로 다른 파장의 두 광선의 상호작용을 카드뮴 셀레나이드 양자점을 [37]통해 공전파 표면 플라스몬으로 변환함으로써 입증했다.전기광학디바이스는 변조기 형태로 광학디바이스와 전기디바이스의 결합양상을 가지고 있습니다.구체적으로 전기광학 변조기는 장거리 표면 플라스몬(LRSP)[38]에 의존하는 순간적으로 결합된 공명 금속 격자와 나노와이어를 사용하여 설계되었습니다.마찬가지로 온도 변화에 따라 굴절률이 변화하는 유전체 재료를 포함하는 열광학 소자는 지향성 결합 스위치와 더불어 SPP 신호의 간섭 변조기로도 사용되어 왔다.일부 열광학 소자는 폴리머에 내장되어 전기 신호에 의해 가열되는 금색 줄무늬를 따라 LRSP 도파도를 변조 및 방향 커플러 [39]스위치의 수단으로 사용하는 것으로 나타났습니다.또 다른 잠재적 분야는 나노 크기의 리소그래피, 탐침, 현미경 [40]검사와 같은 분야에서 스패저를 사용하는 것입니다.

패시브 디바이스

액티브 컴포넌트는 플라스모닉 회로 사용에 중요한 역할을 하지만 패시브 회로도 마찬가지로 집적되어 있어 의외로 쉽게 만들 수 있는 것은 아닙니다.프리즘, 렌즈, 빔 스플리터 등 많은 패시브 소자를 플라스모닉 회로에 구현할 수 있지만 나노 스케일로 제작하는 것은 어렵고 악영향을 미치는 것으로 판명되었습니다.굴절률이 다른 굴절 요소가 사용되는 상황에서는 디커플링으로 인해 상당한 손실이 발생할 수 있습니다.그러나, 포토닉 컴퍼넌트의 손실을 최소화하고 콤팩트성을 최대화하기 위한 몇 가지 조치가 취해졌습니다.그러한 단계 중 하나는 표면 플라즈몬 빔을 조종하기 위해 일련의 평면으로 구성된 거울인 Bragg 반사체를 사용하는 것에 의존한다.최적화 시 Bragg 리플렉터는 들어오는 [10]전력의 거의 100%를 반사할 수 있습니다.콤팩트한 포토닉 컴포넌트를 작성하는데 사용되는 또 다른 방법은 CPP 도파관에 의존하며, CPP 도파관은 통신 [41]파장 내에서 허용 가능한 손실이 3dB 미만인 강한 구속을 나타내기 때문이다.액티브 디바이스뿐만 아니라 패시브디바이스의 사용에 관한 손실과 콤팩트성을 최대화하면 플라스모닉 회선의 사용 가능성이 높아집니다.

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