Luận án Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng Plasmonic dạng nêm

Nội dung text: Luận án Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và khảo sát hoạt động của một số kênh dẫn sóng Plasmonic dạng nêm

1. Sự biến đổi của chiết suất hiệu dụng của kênh dẫn sóng điện môi là không đáng kể khi xem xét độ dịch chuyển x của điện cực điều biến chiết suất (Hình 5.4 (b)). Do đó, sự thay đổi của các đặc trưng truyền sóng với x không được nghiên cứu thêm ở đây. Hơn nữa, kích thước của điện cực điều biến chiết suất được cố định cho từng thiết kế của kênh dẫn sóng. Do đó, để tùy biến các đặc trưng mode truyền, điện cực điều biến chiết suất cần dịch chuyển. Sự phụ thuộc của các đặc trưng truyền sóng vào y, với we = 200, 400 và 800 nm, được thể hiện trong Hình 5.6 (a) và (d). Như đã thấy, N eff và LHGP tăng 2 5 khi y giảm, trong khi diện tích mode A eff (= 2,44  /10 ) là độc lập với y. Tại giá trị lớn của we , LHGP thay đổi mạnh theo y và đạt một giá trị tiệm cận, Hình 5.6 (b). Trường hợp đặc biệt, khi điện cực điều biến với w e = 800 nm được thay thế bởi y = 100 nm, phạm vi điều khiển của LHGP (L) có thể được điều biến lên đến 74%, từ 11,2 mm đến 19,6 mm. Hơn nữa, kết quả cho thấy phương pháp tùy biến cho kênh dẫn sóng plasmon lai với LHGP (ở tỷ lệ cm) hiệu quả trong khi duy trì kích thước mode truyền nhỏ hơn nhiều bước sóng (  2/104 ). Hệ số phẩm chất FoM của linh kiện cũng đạt được giá trị rất cao, lớn hơn 1,2x10 6, Hình 5.6 (d), cao hơn hai bậc độ lớn so với kết quả đã được công bố [43]. Trong các nghiên cứu trên, chúng tôi đã cố định khe điện môi g = 5 nm và o góc của nêm kim loại, E = 55 . Chúng tôi xem xét LHGP là một hàm của g và E . Hình 5.7 (a) và (b) cho thấy sự phụ thuộc của L HGP , LHGP-max (liên quan đến vị trí dịch chuyển tối đa của điện cực điều biến (g te = 0 nm), điện cực điều biến trong mode tiếp xúc với kênh dẫn sóng điện môi) và L HGP-min , L HGP- min (liên quan đến vị trí ban đầu của điện cực điều biến (g te = 100 nm)) trong khi phạm vi biến đổi của LHGP , LHGP = ( LHGP-max - LHGP-min)/LHGP-min x 100% được thể hiện trong Hình 5.7 (c). Có thể thấy rõ từ Hình 5.7 (c), LHGP-max tăng từ o o 78,8% đến 80% khi g thay đổi từ 2 nm đến 10 nm và E từ 25 đến 60 . Mode 2 5 o truyền dẫn là 2,44  /10 tương ứng với các trường hợp g = 2 nm và E = 25 và 2 4 o là 3,06  /10 khi g = 10 nm và E = 60 . Như vậy, trong phạm vi khảo sát của g và E, diện tích mode luôn nhỏ hơn rất nhiều bước sóng. Hơn nữa, đối với các giá trị g và E cố định, diện tích mode truyền là độc lập với quá trình điều biến chiều dài truyền. 100
2. Do đó, bằng cách lựa chọn thiết kế kênh dẫn sóng phù hợp, chúng ta có thể mở rộng phạm vi điều khiển độ dài dẫn truyền LHGP , trong khi diện tích mode truyền được duy trì ở kích thước nhỏ hơn bước sóng và hầu như không thay đổi trong quá trình điều khiển L HGP . Kết quả thu được cho thấy một giải pháp để điều khiển hiệu quả độ dài/suy hao truyền, là tiềm năng cho các ứng dụng trong việc phát triển các thành phần plasmonic hoạt động trong các mạch plasmonic-photonic tích hợp mật độ cao. Tóm lại, chúng tôi đã đề xuất một kênh dẫn sóng plasmonic lai điều biến. Kênh dẫn sóng plasmonic lai được điều biến bằng cách làm nhiễu trường sóng rìa bằng điện cực điều biến chiết suất ở gần kênh dẫn sóng điện môi. Kênh dẫn sóng cho thấy khả năng truyền suy hao cực thấp với kích thước mode nhỏ hơn rất nhiều bước sóng. Đặc biệt, chúng ta có thể có được một phạm vi điều biến lớn của độ dài truyền, lên đến 80% trong khi vẫn duy trì kích thước mode truyền rất nhỏ hơn so với bước sóng (2,44 2/105). Kết quả này tiềm năng cho phát triển các linh kiện plasmonic tích cực cho các mạch tích hợp dựa trên plasmonic đa chức năng. 5.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 Trong chương này, các cơ chế tùy biến cho kênh dẫn sóng plasmonic lai đã được nghiên cứu. Một kênh dẫn sóng lai có thể điều biến khoảng cách truyền cũng đã được đề xuất và khảo sát. Các kết quả đạt được trong chương này có thể được tóm tắt như sau: - Cơ chế tùy biến dựa trên thay đổi chiết suất của kênh điện môi thể hiện sự ưu việt hơn so với cơ chế thay đổi chiết suất môi trường khe hẹp điện môi và và khoảng cách khe hẹp. Khi sử dụng cơ chế này, chiều dài truyền sóng plasmon ở tỷ lệ cm có thể điều biến trong khi diện tích mode truyền được duy trì rất nhỏ (2/105). - Đã đề xuất và minh họa thành công kênh dẫn sóng lai tùy biến dựa trên điều khiển chiết suất kênh dẫn sóng điện môi khi sử dụng phương pháp nhiễu loạn trường rìa. 102
3. KẾT LUẬN Dựa trên các kết quả nghiên cứu đạt được trong luận án, một số kết luận chính được rút ra như sau: - Luận án đã đưa ra các cấu trúc hình học khác nhau của kênh dẫn sóng plasmonic đơn được cấu tạo từ một kênh dẫn sóng điện môi silíc có độ nhám thấp ở mức nguyên tử phủ một lớp kim loại mỏng dựa vào tính chất ăn mòn dị hướng ướt của silíc đơn tinh thể. Kênh dẫn sóng plasmonic đơn hoạt động tối ưu đã được tìm thấy với góc mặt bên ở khoảng 60 o, chiều dài truyền của kênh dẫn sóng đạt được là 400 m, diện tích mode truyền là  2/103 khi sử dụng kim loại Ag làm lớp phủ tạo giao diện điện môi/kim loại dẫn sóng plasmonic. - Luận án đã đề xuất và thiết kế cấu trúc kênh dẫn sóng plasmonic, trong đó lớp kim loại Ag có tính chất dẫn sóng plasmon tốt nhưng dễ bị oxy hóa được phủ một lớp oxít hoặc kim loại mỏng có tính chất trơ với môi trường để bảo vệ lớp màng mỏng Ag. Kết quả khảo sát thể hiện rằng chiều dài truyền có thể được tăng cường lên gấp 4 lần so với kênh dẫn sóng plasmonic khi sử dụng kim loại trơ với môi trường như Au để tạo giao diện kim loại/điện môi cho dẫn sóng plasmonic. - Luận án cũng đã đề xuất kênh dẫn sóng plasmonic lai có độ suy hao truyền thấp với kích thước mode truyền nhỏ hơn rất nhiều kích thước bước sóng ánh sáng truyền. Kênh dẫn sóng có khoảng cách truyền ở tỷ lệ cm, trong khi diện tích mode truyền có kích thước nhỏ hơn nhiều kích thước bước sóng ánh sáng (2/105). Các nhân tố ảnh hưởng như sai số quá trình chế tạo và các thành phần kết cặp tới đặc trưng truyền của kênh dẫn sóng đã được khảo sát. Qua kết quả khảo sát cho phép kênh dẫn sóng có thể được chế tạo với sai số công nghệ hiện tại nhưng không làm thay đổi nhiều tính chất mode truyền của kênh dẫn sóng thu được từ thực nghiệm. - Luận án cũng đã đưa ra các kênh dẫn sóng lai tùy biến. Kênh dẫn sóng với cấu trúc có thể được tích hợp và ứng dụng các cơ chế tùy biến để điều khiển đặc trưng truyền. Các cơ chế tùy biến có thể ứng dụng trong kênh dẫn sóng lai như điều khiển khoảng cách khe điện môi, chiết suất của môi trường khe điện môi và chiết suất kênh dẫn sóng điện môi. Dựa trên kết quả khảo sát thể hiện 104
4. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Huong, N.T., N.V. Chinh, and C.M. Hoang, Wedge surface plasmon polariton waveguides based on wet-bulk micromachining. Photonics, 2019. (ISI, Q2) 2. Nguyen, H.T., et al., Tunable hybrid gap surface plasmon polariton waveguides with ultralow loss deep-subwavelength propagation. Plasmonics, 2019. 14(6): pp. 1751-1763 (ISI, Q2) 3. Huong, N.T. and C.M. Hoang, Modal characteristics and the tunability of horizontal hybrid gap plasmonic waveguide. Applied Physics B, 2020. 126(2): pp. 1-10 (ISI, Q1). 4. Huong, N.T., et al., Tuning SPP propagation length of hybrid plasmonic waveguide by manipulating evanescent field. Optics Communications, 2020. 462: p.125335 (ISI, Q1). 5. Thành viên Bằng độc quyền Giải pháp hữu ích số 2363: “Kênh dẫn sóng plasmon lai”, Quyết định số 7472w/QĐ-SHTT, ngày 16/06/2020. 6. Chinh, N.V, N.T. Huong, and C.M. Hoang, Design and simulation of triangular wedge surface plasmon polariton waveguide. The 9th Vietnam National Conference of Solid Physics and Materials Science, 2015: pp. 314-317. 7. Chinh, N.V., et al., Fabrication of triangular-shaped plasmonic waveguide based on wet bulk micromachining. International Conference on Applied & Engineering Physics, 2015: pp. 124-127. 8. Nguyen, V.C., T.H. Nguyen, and M.H. Chu, Wedge mode propagation characteristics of triangular–shaped surface plasmon waveguide. VNU Journal of Science: Mathematics – Physics, 2016. 32(3): pp. 41-48. 9. Chinh, N.V., et al., Characteristics of Trapezoidal-Shaped Plasmonic Waveguide. The 3rd International Conference on Advanced Materials and Nanotechnology, 2016: pp. 111-114. 106
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Maier, S.A., Plasmonics: fundamentals and applications. Springer Science & Business Media, 2007. 2. Ritchie, R.H., Plasma losses by fast electrons in thin films. Physical Review, 1957. 106(5): p. 874. 3. O'Connor, D. and A.V. Zayats, Data storage: the third plasmonic revolution. Nature nanotechnology, 2010. 5(7): p. 482. 4. Zhang, J., L. Zhang, and W. Xu, Surface plasmon polaritons: physics and applications. Journal of Physics D: Applied Physics, 2012. 45(11): p. 113001. 5. Brongersma, M.L., Introductory lecture: nanoplasmonics. Faraday discussions, 2015. 178: pp. 9-36. 6. Weeber, J.-C., et al., Near-field observation of surface plasmon polariton propagation on thin metal stripes. Physical Review B, 2001. 64(4): p. 045411. 7. Chen, G., et al., Plasmonic-3D photonic crystals microchip for surface enhanced Raman spectroscopy. Biosensors and Bioelectronics, 2019. 143: p. 111596. 8. Chen, J., et al., Substrates for surface-enhanced Raman spectroscopy based on TiN plasmonic antennas and waveguide platforms. Results in Physics, 2020. 16: p. 102867. 9. Gao, P., et al., Plasmonic lithography for the fabrication of surface nanostructures with a feature size down to 9 nm. Nanoscale, 2020. 12(4): pp. 2415-2421. 10. Hu, Y., et al., High-speed parallel plasmonic direct-writing nanolithography using metasurface-based plasmonic lens. Engineering, 2020. 11. Gholamian, M., J. Shabanpour, and A. Cheldavi, Highly sensitive quarter- mode spoof localized plasmonic resonator for dual-detection RF microfluidic chemical sensor. Journal of Physics D: Applied Physics, 2020. 53(14): p. 145401. 12. Ren, P., et al., Fabrication of long range surface plasmon waveguide biosensors in a low-index fluoropolymer. Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena, 2018. 36(4): p. 042601. 13. Mulder, H.K., et al., Size-selective detection in integrated optical interferometric biosensors. Optics Express, 2012. 20(19): pp. 20934- 20950. 108
6. 28. Gao, Y., et al., Plasmonic Mach–Zehnder interferometer for ultrasensitive on-chip biosensing. ACS nano, 2011. 5(12): pp. 9836-9844. 29. Fang, Y. and M. Sun, Nanoplasmonic waveguides: towards applications in integrated nanophotonic circuits. Light: Science & Applications, 2015. 4(6): p. e294. 30. Bozhevolnyi, S.I., et al., Channel plasmon subwavelength waveguide components including interferometers and ring resonators. Nature, 2006. 440(7083): p. 508. 31. Boltasseva, A., et al., Integrated optical components utilizing Long-range surface plasmon polaritons. Journal of Lightwave Technology, 2005. 23(1): p. 413. 32. Boales, J.A., F. Mateen, and P. Mohanty, Micromechanical resonator driven by radiation pressure force. Scientific Reports, 2017. 7(1): p. 16056. 33. Andersen, T., Z. Han, and S. Bozhevolnyi, Compact on-chip temperature sensors based on dielectric-loaded plasmonic waveguide-ring resonators. Sensors, 2011. 11(2): pp. 1992-2000. 34. Eldlio, M., et al., A THz semiconductor hybrid plasmonic waveguide with fabrication-error tolerance. Japanese Journal of Applied Physics, 2016. 56(1): p. 010306. 35. Gui, C. and J. Wang, Wedge hybrid plasmonic THz waveguide with long propagation length and ultra-small deep-subwavelength mode area. Scientific reports, 2015. 5: p. 11457. 36. Wedge, S., et al., Coupled surface plasmon-polariton mediated photoluminescencefrom a top-emitting organic light-emitting structure. Applied Physics Letters, 2004. 85(2): pp. 182-184. 37. Ozbay, E., Plasmonics: merging photonics and electronics at nanoscale dimensions. science, 2006. 311(5758): pp. 189-193. 38. Andrew, P. and W. Barnes, Energy transfer across a metal film mediated by surface plasmon polaritons. Science, 2004. 306(5698): pp. 1002-1005. 39. Tsilipakos, O., E.E. Kriezis, and S.I. Bozhevolnyi, Thermo-optic microring resonator switching elements made of dielectric-loaded plasmonic waveguides. Journal of Applied Physics, 2011. 109(7): p. 073111. 40. Bian, Y. and Q. Gong, Low-loss light transport at the subwavelength scale in silicon nano-slot based symmetric hybrid plasmonic waveguiding schemes. Optics Express, 2013. 21(20): pp. 23907-23920. 41. Bian, Y. and Q. Gong, Deep‐subwavelength light confinement and transport in hybrid dielectric‐loaded metal wedges. Laser & Photonics Reviews, 2014. 8(4): pp. 549-561. 110
7. templates for SERS applications. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2016. 7(4): p. 045017. 56. Nguyen, T.D., T.D. Tran, and T.H.N. Thi, Laser-induced synthesis of Au– Ag alloy nanoparticles in polyvinylpyrrolidone (C6H9NO) n solution. Journal of Cluster Science, 2015. 26(5): pp. 1787-1799. 57. Nguyen, T.D., Q.D. Nguyen, and T.K.T. Vu, Surface-enhanced raman scattering from a layer of gold nanoparticles. VNU Journal of Science: Mathematics-Physics, 2010. 26(4). 58. Nguyen, O.T., et al., Role of gap size and gap density of the plasmonic random gold nanoisland ensemble for surface-enhanced Raman spectroscopy. Materials Transactions, 2018. 59(7): pp. 1081-1086. 59. Nghiem, T.H.L., et al., Preparation and characterization of silica–gold core–shell nanoparticles. Journal of nanoparticle research, 2013. 15(11): pp. 1-9. 60. Luong, T.Q.N., T.A. Cao, and T.C. Dao, Low-concentration organic molecules detection via surface-enhanced Raman spectroscopy effect using Ag nanoparticles-coated silicon nanowire arrays. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2013. 4(1): p. 015018. 61. Luong, N.H., et al., Metallic nanoparticles: synthesis, characterisation and application. International journal of nanotechnology, 2011. 8(3-5): pp. 227-240. 62. Chu, V.H., et al., Photoluminescence enhancement of dye-doped nanoparticles by surface plasmon resonance effects of gold colloidal nanoparticles. Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 2011. 2(4): p. 045010. 63. Nguyen, T., et al., Effects of metallic underlayer on SERS performance of a metal film over nanosphere metasurface. Journal of Physics D: Applied Physics, 2021. 55(2): p. 025101. 64. Le, K.Q., Q.M. Ngo, and T.K. Nguyen, Nanostructured metal–insulator– metal metamaterials for refractive index biosensing applications: design, fabrication, and characterization. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2016. 23(2): pp. 388-393. 65. Liu, J., et al., Optical waveguide and cavity effects on whispering-gallery mode resonances in a ZnO nanonail. Applied physics letters, 2009. 95(22): p. 221105. 66. Ngo, Q.M., et al., Optical bistability based on Fano resonances in single- and double-layer nonlinear slab waveguide gratings. JOSA B, 2014. 31(5): pp. 1054-1061. 112
8. 81. Liu, L., Z. Han, and S. He, Novel surface plasmon waveguide for high integration. Optics Express, 2005. 13(17): pp. 6645-6650. 82. Fang, Y., et al., Branched silver nanowires as controllable plasmon routers. Nano letters, 2010. 10(5): pp. 1950-1954. 83. Solis Jr, D., et al., Turning the corner: Efficient energy transfer in bent plasmonic nanoparticle chain waveguides. Nano letters, 2013. 13(10): pp. 4779-4784. 84. Willingham, B. and S. Link, Energy transport in metal nanoparticle chains via sub-radiant plasmon modes. Optics Express, 2011. 19(7): pp. 6450-6461. 85. Alù, A., P.A. Belov, and N. Engheta, Coupling and guided propagation along parallel chains of plasmonic nanoparticles. New Journal of Physics, 2011. 13(3): p. 033026. 86. Zhu, S., G.-Q. Lo, and D.-L. Kwong, Experimental demonstration of vertical Cu-SiO2-Si hybrid plasmonic waveguide components on an SOI Platform. IEEE Photonics Technology Letters, 2012. 24(14): pp. 1224- 1226. 87. Zhang, Y. and Z. Zhang, Ultra-subwavelength and low loss in v-shaped hybrid plasmonic waveguide. Plasmonics, 2017. 12(1): pp. 59-63. 88. Sun, X., L. Thylén, and L. Wosinski. MEMS tunable hybrid plasmonic-Si waveguide. in Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC), 2017. 2017. IEEE. 89. Lu, Q., et al., Focusing of electromagnetic fields in high-Q hybrid wedge plasmon polariton microresonator. Applied optics, 2012. 51(29): pp. 6968-6973. 90. Dai, D., et al., Gain enhancement in a hybrid plasmonic nano-waveguide with a low-index or high-index gain medium. Optics Express, 2011. 19(14): pp. 12925-12936. 91. Chen, L., et al., Novel hybrid plasmonic waveguide consisting of two identical dielectric nanowires symmetrically placed on each side of a thin metal film. Optics Express, 2012. 20(18): pp. 20535-20544. 92. Caspers, J.N., J.S. Aitchison, and M. Mojahedi, Experimental demonstration of an integrated hybrid plasmonic polarization rotator. Optics letters, 2013. 38(20): pp. 4054-4057. 93. He, X., et al., Deep subwavelength graphene-dielectric hybrid plasmonic waveguide for compact photonic integration. Results in Physics, 2021. 21: p. 103834. 94. Luan, J., et al., Design and optimization of a graphene modulator based on hybrid plasmonic waveguide with double low-index slots. Plasmonics, 2019. 14(1): pp. 133-138. 114
9. 109. Zhang, Q., et al., A triangle hybrid plasmonic waveguide with long propagation length for ultradeep subwavelength confinement. Crystals, 2022. 12(1): p. 64. 110. Pile, D.F., et al., Theoretical and experimental investigation of strongly localized plasmons on triangular metal wedges for subwavelength waveguiding. Applied Physics Letters, 2005. 87(6): p. 061106. 111. Reinhardt, C., et al., Rapid laser prototyping of plasmonic components. Applied Physics A, 2007. 89(2): pp. 321-325. 112. Hao, R., et al., Reconfigurable parallel plasmonic transmission lines with nanometer light localization and long propagation distance. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2013. 19(3): pp. 4601809- 4601809. 113. Gosciniak, J., et al., Thermo-optic control of dielectric-loaded plasmonic waveguide components. Optics Express, 2010. 18(2): pp. 1207-1216. 114. Pitilakis, A. and E.E. Kriezis, Longitudinal 2 x 2 switching configurations based on thermo-optically addressed dielectric-loaded plasmonic waveguides. Journal of Lightwave Technology, 2011. 29(17): pp. 2636- 2646. 115. Weeber, J.-C., et al., Nanosecond thermo-optical dynamics of polymer loaded plasmonic waveguides. Optics Express, 2013. 21(22): pp. 27291- 27305. 116. Rudé, M., et al., Active control of surface plasmon waveguides with a phase change material. ACS photonics, 2015. 2(6): pp. 669-674. 117. Zografopoulos, D.C., et al., Hybrid electro-optic plasmonic modulators based on directional coupler switches. Applied Physics A, 2016. 122(4): p. 344. 118. Pacifici, D., H.J. Lezec, and H.A. Atwater, All-optical modulation by plasmonic excitation of CdSe quantum dots. Nature photonics, 2007. 1(7): p. 402. 119. Pala, R.A., et al., A nonvolatile plasmonic switch employing photochromic molecules. Nano Letters, 2008. 8(5): pp. 1506-1510. 120. MacDonald, K.F., et al., Ultrafast active plasmonics. Nature Photonics, 2009. 3(1): p. 55. 121. Oulton, R.F., et al., A hybrid plasmonic waveguide for subwavelength confinement and long-range propagation. Nature Photonics, 2008. 2(8): p. 496. 122. Shi, H., et al., Nanosensor Based on Fano resonance in a metal-insulator- metal waveguide structure coupled with a half-ring. Results in Physics, 2021. 21: p. 103842. 116
10. 138. Zografopoulos, D.C. and R. Beccherelli, Plasmonic variable optical attenuator based on liquid-crystal tunable stripe waveguides. Plasmonics, 2013. 8(2): pp. 599-604. 139. Yin, S., et al., Liquid-crystal-based tunable plasmonic waveguide filters. Journal of Physics D: Applied Physics, 2018. 51(23): p. 235101. 140. Tasolamprou, A., D. Zografopoulos, and E. Kriezis, Liquid crystal-based dielectric loaded surface plasmon polariton optical switches. Journal of Applied Physics, 2011. 110(9): p. 093102. 141. Smalley, J.S., et al., High contrast modulation of plasmonic signals using nanoscale dual-frequency liquid crystals. Optics Express, 2011. 19(16): pp. 15265-15274. 142. Marom, E., O. Ramer, and S. Ruschin, Relation between normal-mode and coupled-mode analyses of parallel waveguides. IEEE journal of quantum electronics, 1984. 20(12): pp. 1311-1319. 143. Okamoto, K., Fundamentals of optical waveguides. Academic press, 2006. 118