Omskiftelige plasmoniske routere styret af eksterne magnetfelter ved hjælp af magneto-plasmoniske bølgeledere

Plasmoniske bølgeledere åbner muligheden for at udvikle dramatisk miniaturiserede optiske enheder og giver en lovende rute mod den næste generation af integrerede nanofotoniske kredsløb til informationsbehandling, optisk databehandling og andre. Nøgleelementer i nanofotoniske kredsløb er omskiftelige plasmoniske routere og plasmoniske modulatorer.

For nylig, Dr. Joachim Herrmann (MBI) og hans eksterne samarbejdspartnere har udviklet nye koncepter til realisering af sådanne nanoenheder. De undersøgte udbredelsen af ​​overflade-plasmon-polaritoner (SPP) i magneto-plasmoniske bølgeledere. Baseret på resultaterne af denne undersøgelse, de foreslog nye varianter af omskiftelige magneto-plasmoniske routere og magneto-plasmoniske diskmodulatorer til forskellige nanofotoniske funktionaliteter. I en bølgeleder baseret på en metalfilm med en tykkelse, der overstiger huddybden og omgivet af et ferromagnetisk dielektrikum, et eksternt magnetfelt i den tværgående retning kan inducere en betydelig rumlig asymmetri af modusfordeling af overflade-plasmon-polaritoner (SPP). Superposition af de ulige og de lige asymmetriske tilstande over en vis afstand fører til en koncentration af energien på én grænseflade, som skiftes til den anden grænseflade ved magnetfeltvending.

Den ønskede magnetiseringsstørrelse reduceres eksponentielt med stigningen i metalfilmtykkelsen. Baseret på dette fænomen, gruppen foreslog en ny type bølgeleder-integrerede magnetisk styrede omskiftelige plasmoniske routere. En konfiguration af en sådan nanoenhed er vist i fig. bestående af en T-formet metallisk bølgeleder omgivet af et ferromagnetisk dielektrikum under et eksternt magnetfelt, der inducerer en magnetisering M. I fig. numeriske resultater for plasmonudbredelsen ved at løse Maxwell-ligningen viser kanalskift ved magnetfeltvendingen med en 99 procent høj kontrast inden for den optiske båndbredde på snesevis af THz. Her, g er svingningen g=χM, χ er den magneto-optiske susceptibilitet, og g0 er en karakteristisk gyration, der kræves for at inducere en signifikant modusasymmetri. Magnetisk feltvending af integrerede elektroniske kredsløb kan realiseres med en gentagelseshastighed i GHz-området. Bemærk, at indtil nu, der har været få artikler, der rapporterer om realiseringen af ​​omskiftelige plasmoniske routere baseret på forgrenede sølv nanotråde styret af polariseringen af ​​indgangslyset.

I et andet papir, gruppen foreslog og studerede en ny type ultra-lille plasmonisk modulator baseret på en metal-isolator-metal bølgeleder og en sidekoblet magneto-optisk disk styret af et eksternt magnetfelt (se fig. 3). Bølgetalsændringen og transmissionen af ​​overflade-plasmon-polaritoner (SPP'er) kan indstilles ved at ændre magnetfeltet. Reversibel tænd/sluk-skift af de kørende SPP-tilstande ved at vende retningen af ​​det eksterne magnetfelt er demonstreret. Resonansforøgelse af den magneto-plasmoniske modulering med mere end 200 gange fører til et modulationskontrastforhold på mere end 90 procent, holde et moderat indsættelsestab inden for en optisk båndbredde på hundredvis af GHz. Numeriske simuleringer ved løsningen af ​​Maxwells ligninger bekræfter forudsigelserne med de afledte analytiske formler for en højkontrast magneto-plasmonisk modulering. Fig. 4 viser fordelingen af ​​magnetfeltkomponenterne i SPP'erne ved en gyration g=0,03 og g=-0,03, henholdsvis. Som det ses ved at ændre retningen af ​​det eksterne magnetfelt, transmissionen af ​​SPP'erne skiftes fra en slukket til en tændt tilstand via det ændrede interferensmønster i bølgelederen.