幾何学的ダイオードのプラズモニックアナログによる不斉光伝送の実現

Plasmonic analogue of geometric diodes realizing asymmetric optical transmission.

• Ze Zheng
• Mohamed Elkabbash
• Jihua Zhang
• Chunlei Guo

抄録

幾何学的ダイオードは、導電性薄膜の非対称性に依存する整流器で使用される比較的新しいダイオードのクラスである。ここでは、ナノスケールの光非対称伝送を実現するために、幾何学的ダイオードのプラズモニックアナログを数値的に調査する。このデバイスは、表面プラズモンポラリトン(SPP)のユニークな特性である断熱的ナノフォーカシングに依存した空間対称性の破れに基づいて動作する。本研究では、この構造が、総寸法が∼2μ×6μのオンチップ非対称電磁波伝送を実現できることを示した。我々は、0.7の信号コントラストと4.77dBの非対称光伝送比を実証しています。この非対称透過率の起源を調べ、主にSPPと遠距離場光子の非対称なアウトカップリングによるものであることを示した。また、SPPのエバネッセント結合が非対称透過効率を損なうことを明らかにし、プラズモニック導波路の寸法を調整することで、0.94の信号コントラストと5.18dBの非対称光透過率が得られることを示す。本研究は、SPPのユニークな特性を利用したオンチップ・ナノスケールの非対称光伝送の新しいパラダイムを提示するものである。

Geometric diodes represent a relatively new class of diodes used in rectennas that rely on the asymmetry of a conducting thin film. Here, we numerically investigate a plasmonic analogue of geometric diodes to realize nanoscale optical asymmetric transmission. The device operates based on spatial symmetry breaking that relies on a unique property of surface plasmon polaritons (SPPs), namely, adiabatic nanofocusing. We show that the structure can realize on-chip asymmetric electromagnetic transmission with a total dimension of ∼2µ×6µ. We demonstrate a signal contrast of 0.7 and an asymmetric optical transmission ratio of 4.77 dB. We investigate the origin of the asymmetric transmission and show that it is due mainly to asymmetric out-coupling of SPPs to far-field photons. We highlight the role of evanescent field coupling of SPPs in undermining the asymmetric transmission efficiency and show that by adjusting the plasmonic waveguide dimensions, a signal contrast of 0.94 and an asymmetric optical transmission ratio of 5.18 dB can be obtained. Our work presents a new paradigm for on-chip nanoscale asymmetric optical transmission utilizing the unique properties of SPPs.