Konzepte für neue schaltbare plasmonische Nanobauteile
Plasmonische Wellenleiter eröffnen die Möglichkeit zur Entwicklung dramatisch verkleinerter optischer Bauteile und liefern eine vielversprechende Route zu zukünftigen Technologien für integrierte Schaltkreise für die Informationsverarbeitung, für optisches Computing und andere. Hauptelemente von nanophotonischen Schaltkreisen sind steuerbare Router und plasmonische Modulatoren. Kürzlich entwickelte Dr. Joachim Herrmann vom MBI in Kooperation mit auswärtigen Partnern neue Konzepte für die Realisierung solcher Nanobauteile. Sie untersuchten die Ausbreitung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPPs) in magneto-plasmonischen Wellenleitern. Basierend auf den Ergebnissen dieser Studie schlugen sie neue Varianten von steuerbaren magneto-plasmonischen Routern und magneto-plasmonischen Scheibenmodulatoren für verschiedene Funktionalitäten vor.
Abb 1: Schema eines schaltbaren plasmonischen Routers, der aus einem T-geformten metallischen Wellenleiter besteht, der von einem ferromagnetischen dielektrischen Material umgeben ist und unter der Wirkung eines äußeren magnetischen Feldes steht.
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Abb. 2: Numerische Ergebnisse für die Verteilung der SPP Intensität. Die Umkehr der Richtung des äußeren magnetischen Feldes führt zu einer Umschaltung der SPP Ausbreitung von Kanal 1 (a) zu Kanal 2 (b). Der metallische Wellenleiter ist aus Gold und das umgebende ferromagnetische dielektrische Material aus Bismut-Eisen-Granat (BIG).
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Abb. 3: Schema eines Nanometer plasmonischen Modulators, der aus einem Metall-Isolator-Metall Wellenleiter und einem seitlich angekoppelten magneto-optischen Scheibenresonator besteht und durch ein äußeres magnetisches Feld gesteuert wird.
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Abb. 4: Verteilung der magnetischen Feldkomponente der SPP Moden des magneto-plasmonischen Modulators bei einer Wellenlänge von 748 nm. Durch Änderung der Richtung des äußeren magnetischen Feldes wird die Transmission der SPP Moden von einem "Aus" Zustand (Abb.4a mit g=-0.03) zu einem "An"-Zustand (Abb. 4b mit g=0.03) geschaltet. Der metallische Wellenleiter ist aus Silber und das ferromagnetische dielektrische Material des Scheibenresonators aus Bismut-Eisen-Granat (BIG).
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In einem Wellenleiter, der aus einem metallischen Film mit einer Dicke, die die Skin-Tiefe übertrifft, und von einem ferromagnetischen dielektrischen Material umgeben ist, bewirkt ein äußeres magnetisches Feld eine räumliche Asymmetrie der Modenverteilung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (SPP). Die Überlagerung der geraden und der ungeraden Moden führt nach einer bestimmten Ausbreitungslänge zu einer Konzentration der SPP-Energie auf eine Oberfläche der metallischen Schicht, die auf die entgegengesetzte Oberfläche durch die Änderung der Richtung des magnetischen Feldes umgeschaltet werden kann. Basierend auf diesem Phänomen schlägt die Gruppe einen neuen Typ eines Wellenleiter-integrierten magnetisch gesteuerten umschaltbaren Routers vor. Ein Schema eines solchen Nanobauteils ist in Abb. 1 dargestellt, das aus einem T-geformten metallischen Wellenleiter besteht, der von einem ferromagnetischen dielektrischen Material umgeben ist und unter der Wirkung eines äußeren zu einer Magnetisierung M führenden magnetischen Feldes steht. In Abb. 2 sind die Ergebnissse einer numerischen Lösung der Maxwell Gleichungen für die SPP Ausbreitung in dieser Struktur dargestellt. Wie zu sehen ist, bewirkt eine Richtungsänderung des magnetischen Feldes eine Kanal-Umschaltung mit 99% Kontrast innerhalb einer optischen Bandbreite von 10 THz. Hier ist g die Gyration g=χ M, χ ist die magneto-optische Suszeptibilität und g0 eine charakteristische Gyration, die für eine bedeutsame Modenasymmetry notwendig ist. Eine Richtungsänderung des magnetischen Feldes kann durch integrierte elektrische Schaltkreise mit einer Wiederholungsrate im GHz Bereich erzeugt werden. Bisher wurde nur in wenigen Artikeln über eine Realisierung von umschaltbaren plasmonischen Routern berichtet, die auf verzweigten Silberdrähten basieren und durch die Plarisation des einfallenen Lichts gesteuert werden.
In einer zweiten Publikation schlug die Gruppe eine neue Variante eines Nanometer plasmonischen Modulators vor, der aus einem Metall-Isolator-Metall Wellenleiter und einem seitlich angekoppelten magneto-optischen Scheibenresonator beruht und durch ein äußeres magnetisches Feld gesteuert wird (siehe Abb. 3). Eine Änderung der Wellenzahl und der Transmission von SPP Moden kann durch eine Änderung des magnetischen Feldes bewirkt werden. Ein/Aus Umschaltung von laufenden SPP Moden durch dieses Bauteil infolge einer Richtungsumkehr des magnetischen Feldes wird durch die numerische Lösung der Maxwell Gleichungen demonstriert Eine Resonanzüberhöhung der magneto-optischen Modulation von mehr als einem Faktor von 200 führt zu einer Kontrastrate von mehr als 90% bei einer moderaten Durchgangsdämpfung innerhalb einer Bandbreite von mehr als 100 GHz. Abb.4 zeigt die Verteilung der magnetischen Feldkomponente der SPP Moden bei einer Gyration von g=0.03 und g=-0.03. Wie zu sehen ist, führt eine Änderung der Richtung des äußeren magnetischen Feldes infolge der Änderung des Interferenzmusters von einem "Aus" zu einem "An"-Zustand des magneto-plasmonischen Modulators.
Originalveröffentlichung
Kum-Song Ho, Song-Jin Im, Ji-Song Pae, Chol-Song Ri, Yong-Ha Han and Joachim Herrmann; "Switchable plasmonic routers controlled by external magnetic fields by using magneto-plasmonic waveguides"; [1]Scientific Reports (2018) 8:10584
Ji-Song Pae, Song-Jin IM, Kum-Song Ho, Chol-Song Ri, Sok-Bong Ro and Joachim Herrmann; "Ultracompact high-contrast magneto-optical disk resonator side-coupled to a plasmonic waveguide and switchable by an external magnetic field"; [2] Phys. Rev. B 98, 041406 (R) (2018).
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