Оптические антенны на основе диэлектрических наночастиц

Краснок, Александр Евгеньевич

Оптические антенны на основе диэлектрических наночастиц тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Краснок, Александр Евгеньевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Оптические антенны на основе диэлектрических наночастиц»

Автореферат диссертации на тему "Оптические антенны на основе диэлектрических наночастиц"

циэ«- На правах рукописи

Краснок Александр Евгеньевич

ОПТИЧЕСКИЕ АНТЕННЫ НА ОСНОВЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАНОЧАСТИЦ

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

16 МАЙ ¿013

Санкт-Петербург-2013

005058667

Работа выполнена на кафедре фотоники и оптоинформатики Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Белов Павел Александрович

Официальные оппоненты: Виноградов Алексей Петрович,

доктор физико-математических наук, профессор, Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН, главный научный сотрудник

Климов Василий Васильевич,

доктор физико-математических наук, Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, главный научный сотрудник

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН

Защита состоится «30» мая 2013 г. в 15 часов 50 минут на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д.49, ауд. 461.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Автореферат разослан «30» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.227.02, кандидат физико-математических наук,

доцент Бурункова Ю. Э.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Традиционно в области оптических дайн волн управление электромагнитным нолем происходит посредством линз, оптических волноводов, дифракционных элементов, то есть приборов, размеры которых гораздо больше длимы волны управляемого излучения. С другой стороны, управление электромагнитным излучением в радио и СВЧ диапазонах с помощью антенн, то есть приборов, сравнимых с длиной волны, является устоявшейся техникой. Несмотря на важность оптического диапазона частот, конкретные конструкции наноантенн и их практическая реализация стали обсуждаться совсем недавно. Это обусловлено тем, что характерные размеры оптической антенны определяются рабочей длиной волны излучения, что составляет сотни нанометров, поэтому возникает технологическая проблема воспроизведения объекта такого размера с нанометровой точностью.

Приемной ианоантенной называют устройство, которое способно эффективно преобразовывать падающий свет (излучение оптических частот) в сильно локализованное эваиесцентное поле [1, 2, 3]. Передающая наноан-тепна, наоборот, преобразует1 силыю локализованное поле оптических частот, созданное некоторым слабоизлучающим источником, в свободное излучение. Под силыю локализованным полем подразумевается электромагнитное поле, сконцентрированное в области малого по сравнению с длиной волны размера. Область, в которой сконцентрировано сильно локализованное поле, может быть субволновой во всех трех измерениях. В этом случае говорят о сильно локализованном ближнем поле, причем энергия такого поля является запасенной и не распространяется.

Важной проблемой, которую должны решить оптические напоантенпы, является организация беспроводной системы передачи данных на поверхности и в объёме оптического чипа. Создание таких полностью оптических чипов является одной из основных задач нанофотоники [4, 5, 6]. Использование оптических чипов позволит создать оптические компьютеры и иные устройства передачи, хранения и обработки информации с революционно расширенными возможностями, скоростью функционирования, а также сделает их более компактными и менее энергоемкими. Использование в таких системах более привычмых волноводных структур, когда сигналы передаются по плазмонным волноводам, наталкивается на непреодолимые сложности связанные с быстрой диссипацией энергии плазмонной волны. Наноантенны способны передавать оптические сигналы между различными частями оптических чипов по пустому пространству или слабо поглощаю-

щему материалу диэлектрической матрицы и поэтому в значительной мере лишены этого недостатка [1].

Область применения оптических наиоантенн не ограничивается вопросами разработки оптических микрочипов и затрагивает вопросы медицины [7|, солнечной энер1«тики |8|, микроскопии сверхвысокого разрешения [9| и многих других областей науки и техники. В частности, использование концепции наиоантенн позволяет решить проблему эффективной связи между волоконно-оптическими линиями передачи информации и элементами нанофотоники [10], включая оптические микрочипы. Применительно к области телекоммуникаций это позволит в сотни раз увеличить скорость передачи данных по уже существующим оптоволоконным сетям и повысить уровень их защиты и кодировки.

Однако металлические наноантенны, ввиду сшей плазмонной природы, являются сильно диссипативными устройствами, что мешает их широкому применению. До сегодняшнего времени, в литературе отсу тствовали работы по паноантениам на основе диэлектрических наночастиц. Такие наноантенны являются объектом исследования данной диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка оптических антенн на основе диэлектрических наночастиц, выполненных из материала с большим и положительным значением диэлектрической проницаемости.

Научная новизна

В работе предложен и развит новый, альтернативный плазмоннике, подход к разработке оптических наноантепи. Этот подход состоит в замене металлических структурных компонентов известных плазмонных наноантепи на наноэлементы, выполненные из материала с большим и положительным значением диэлектрической проницаемости. В силу этой замены наноантенны приобретают новые и уникальные свойства, такие как магнитный отклик и сверхнаправленность. В разработке диэлектрических наиоантенн и исследовании их оптических свойств и состоит научная новизна диссертационной работы.

Основные методы исследования

Методами исследования являются аналитические методы, численное имитационное компьютерное моделирование и экспериментальная верификация при помощи частотного масштабирования в микроволновой области частот.

Научные положения выносимые на защиту:

1. Одиночная кремниевая наночастица субнолновых размеров в случае возбуждения её плоской волной или точечным источником обладает одновременно электрическим и магнитным дипольным откликом и является источником Гюйгенса в некотором диапазоне оптических частот.

2. Нелинейно-оптическое взаимодействие пары металлической и диэлектрической наночастиц с падающей плоской электромагнитной волной приводит к динамическому переключению основного направления диаграммы направленности рассеяния.

3. Диэлектрическая оптическая наноантенна Яги-Уда, включающая рефлектор в виде сферической кремниевой наночастицы и набор из 4 директоров меньшего размера, периодически упорядоченных вдоль прямой линии, а также квантовый источник оптического излучения, расположенный между рефлектором и первым директором, имеет высокий коэффициент направленности, численно превышающий 10.

4. Наноантенна, состоящая из дипольного источиика, расположенного в выемке на поверхности диэлектрической наночастицы субволнового размера, обладает эффектом сверхнаправлеиности благодаря возбуждению набора высших мультипольных мод. Субволновое смещение дипольного источника в выемке вызывает эффект поворота основного лепестка диаграммы направленности.

Практическая значимость

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней впервые предложен новый класс оптических наноамтенн на основе диэлектрических наночастиц, которые могут быть использованы для разработки и создания высокоэффективной элементной базы полностью оптических средств обработки информации.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах НИУ ИТМО и Австралийского национального университета (Канберра, Австралия), а также на международных конференциях:

• МЕТА'13, the 4th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, Sharjah (UAE), 18-22 March 2013

• "Nanometa'2013 Seefeld (Austria), 3-6 January 2013

• The Fifth International Workshop on Theoretical and Computational Nano-Photonics "TaCoNa-Photoriics'2012 Bad Honnef (Germany) 24-26 October 2012

• "Metamaterials'2012 St.Petersburg (Russia) 17 - 22 September 2012

• International

conference "Days on Diffraction'2012"St.Petersburg (Russia), May 28 -June 1 2012

• 2012 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Chicago (USA), 08 - 14 Jul 2012

• Seventh International Conference of Young Scientists and Specialists "Optics-2011 St. Petersburg (Russia), 17-21 October 2011

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 20 публикациях, из которых 9 входят в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Работа изложена на 130 страницах машинописного текста, включает 55 рисунков и список литературы из 180 наименований.

Личный вклад автора

Во всех выполненных работах автор принимал участие в постановке и решении задач, обсуждении полученных результатов и их интерпретации. Вклад автора при разработке диэлектрических наноаптенн источник Гюйгенса и Яги-Уда был определяющим. Автором были обнаружены эффекты сверх-паправленности и поворота основного лепестка диаграммы направленности излучения при субволновом смещении источника в диэлектрической нано-аптенне с выемкой.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и научная новизна работы, перечислены основные поло-

жения, выносимые на защиту, а также кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава носит обзорный характер. В этой главе сформулировано общее понятие оптической антенны и приведены основные характеристики, которые относятся к данному разделу науки. Проведена классификация основных известных металлических наноантенн на группы согласно их геометрии и физическим принципам работы. По каждой из групп металлических наноантенн проведен обзор современной литературы. Даётся общее представление о нелинейных оптических наноантеннах. Обсуждаются основные достоинства и недостатки металлических наноантенн, а также обосновывается необходимость разработки нового типа наноантенн на основе диэлектрических наночастиц.

Вторая глава посвящена изложению оптических свойств диэлектрических наночастиц субволнового размера, включая физические механизмы формирования сильного электрического и магнитного отклика в оптическом диапазоне частот. Предлагается, а также изучается аналитически и при помощи имитационного моделирования, простейший вариант диэлектрической наноантенны, геометрия которой изображена на Рис. 1а, и получившей название "источник Гюйгенса". На Рис. 16 приведена зависимость коэффициента направленности источника Гюйгенса от длины волны. Видно, что эта кривая имеет два максимума, расположенные соответственно в области электрического и магнитного резонансов. Вставками изображены трёхмерная диаграммы направленности на соответствующих частотах.

Рис. 1: (а) Геометрия наноантенны "источник Гюйгенса", (б) Зависимость коэффициента направленности излучения источника Гюйгенса от душны волиы. В качестве вставок на графике помещены трёхмерные диаграммы направленности.

450 500 550 600 650 700

Длина волны, нм

а)

-0.15 -0.10 -0.05 0.00 0.05

Рис. 2: (а) Схематическое изображение металло-диэлектрического димера. (б) Величина отношения мощности рассеянного света в прямом направлении (по отношению к волновому вектору падающей волны) к величине мощности рассеянной в обратном направлении. Зелёная и синяя кривые относятся к линейному и нелинейному случаям, соответственно.

Главный лепесток диаграмм направленности в этих двух случаях направлен по разному. Для длины волны 480 нм (Рис. 16) главный лепесток направлен в отрицательную сторону оси х. На этой длине волны электрический и магнитный дипольные моменты колеблются с большой разностью фаз. На длине волны 590 нм он направлен в положительную сторону оси х, на этой длине волны электрический и магнитный дипольные моменты частицы колеблются практически в фазе. Аналитические результаты, полученные с использованием дипольной модели взаимодействия [11], хорошо согласуются с результатами полученными численным путём. Заметим, что эта особенность работы одной диэлектрической наночастицы в качестве антенны обязана наличию у неё наряду с электрическим ещё и магнитного дипольного момента.

В третьей главе предлагается и теоретически исследуется новый тип металло-диэлектрических наноантенп, состоящих из пары диэлектрической (кристаллический кремний) и металлической (серебро) наночастиц. Высокое значение диэлектрической проницаемости наночастицы позволяет достичь эффективной локализации электрического поля, в то время как нелинейный отклик металлической наночастицы позволяет контролировать направление рассеяния наноантенной внешней оптической волны. В результате такая структура способна реализовать эффективный динамический контроль диаграммы направленности рассеянного излучения путём изменения напряженности внешнего оптического поля.

Сначала рассматривается геометрия изучаемой структуры, которая

представляет собой пару сферических, кремниевой и серебряной наноча-стиц помещённых в матрицу из БЮг с диэлектрической проницаемостью ей, облучаемых плоской волной, как показано на Рис. 2а. Пологается, что радиусы металлической и диэлектрической наночастиц, а также расстояние между их центрами равны = 15 нм, Дэ^ = 30 нм, и <1 = 80 нм, соответственно. В оптической области частот линейную часть диэлектрической проницаемости серебра можно записать в виде обобщённой формы Друде Едв = £оо - ^/[о>(ш + ¿1/)], где г«, = 4.96, Ншр = 9.54 эВ, Пи = 0.055 эВ [12] [предпологается зависимость от времени ехр(—гилС)]; в то время как дисперсией 8102 можно пренебречь. Нелинейная диэлектрическая проницаемость серебра может быть записана в виде = е^+х^Е^р, ГДе ЕН локальное поле внутри частицы. Согласно модели, предложенной в [13], частицы серебра радиусом 15 нм обладают чрезвычайно высокой и чисто действительной кубической восприимчивостью х(3) — 6 х Ю-9 СГС, в сравнении с которой нелинейность и БЮ2 ничтожно мала.

Далее изучаются характеристики рассейния излучения этим металло-диэлектрическим димером. Изучаются поведение диаграммы направленности рассеяния и величина отношения мощности рассеянного света в прямом направлении (по отношению к волновому вектору падающей волны) к величине мощности рассеянной в обратном направлении (см. Рис. 26) в линейном и нелинейном режимах работы. В линейном режиме работы, когда напряженность внешнего оптического поля мала по сравнению с той, при которой необходим учёт нелинейного отклика, зависимость отношения вперёд-назад имеет глубокий провал, где практически полностью (в ди-польной модели) отсутствует рассеянное назад излучение. Затем эта кривая испытывает рост с увеличением частоты падающего излучения и проходит через 0 (через 1 в линейном масштабе) где наблюдается равенство мощностей, рассеянных в прямом и обратном направлениях. Значения отношения вперёд-назад более 0 с!В соответствуют случаю подавления рассеяния назад.

В нелинейном режиме работы у зависимости отношения вперёд-назад появляется петля бистабильности, в области которой решения являются неустойчивыми. В качестве примера рассмотрим переход между состояниями 1 и 2, положения которых изображены на Рис. 26 красными точками. В состоянии 1 мощность, рассеянная димером назад, больше мощности, рассеянной вперед. Однако это состояние является неустойчивым и за промежуток времени равный приблизительно 260 фсек система переходит в состояние 2. В этом новом состоянии система, напротив, рассеивает большую

450 500 550 600 650 700

Длина волны, нм

€>€Ю€Ю

|Рис. 3: (а) Геометрия диэлектрической ианоантенны Яги-Уда. (б) Зависимость коэффициента направленности излучения наноантенны Яги-Уда от длины волны. Б качестве вставок на графике помещены трёхмерные диаграммы направленности.

часть мощности в прямом направлении. Для состояний 3 и 4 аналогично имеем переход между состоянием равномерного рассеяния во все стороны (состояние 3) и состоянием почти полного рассеяния назад (состояние 4).

Малое время, необходимое системе для переключения между состояниями, наряду с относительно низкой требуемой интенсивностью 11 МВт/см2, открывает широкий спектр перспектив использования нелинейных металло-диэлектрических наноантенн в логических и коммутационных устройствах.

Темой четвёртой главы является разработка наноантенн Яги-Уда на основе диэлектрических наночастиц. Здесь приводятся результаты аналитического и численного исследования диэлектрической наноантенны Яги-Уда, включающей рефлектор в виде сферической кремниевой наночастицы радиуса 75 нм и набор из 4 директоров радиуса 70 нм, периодически упорядоченных вдоль прямой линии, а также квантовый источник оптического излучения, расположенный между рефлектором и первым директором (см. Рис.За). На Рис. 3 приведена зависимость коэффициента направленности от длины волны для диэлектрической наноантенны Яги-Уда, при расстоянии между поверхностями директоров 70 нм. Вставками изображены трёхмерная диаграммы направленности на соответствующих частотах. Видно, что зависимость имеет резкий максимум на длине волны 500 нм. Угловая ширина главного лепестка примерно равна 40°. Далее проведено сравнение характеристик работы геометрически идентичных диэлектрической и плазменной наноантенн Яги-Уда. Показано, что существенным преимуществом

а)

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Позиция, нм

Рис. 4: (а) Геометрия диэлектрической сверхнаправленной наноантенны с выемкой, (б) Зависимость максимального значения направленности от положения дипольного источника на длине волны Л = 455 нм в случаях частицы с и без выемки, соответственно. Вертикальная пунктирная линия обозначает радиус частицы с центром в начале координат.

наноантенны Яги-Уда на основе диэлектрических наночастиц перед антеннами на частицах из металла является возможность работы в существенно более широком диапазоне длин волн. При этом, в виду слабого поглощения в диэлектрике, снимается проблема возрастания перадиационных потерь при приближении источника к поверхности частицы. Представлены результаты изучения фактора Перселла в диэлектрической наноантенне, его зависимость от геометрических характеристик наноантенн, а также сравнение его значения с фактором Перселла в плазмонных антеннах.

В заключительном разделе этой главы представлены результаты экспериментальной верификации диэлектрической наноантенны Яги-Уда в микроволновой области частот. Отмечается высокая степень согласия наблюдаемых экспериментальных результатов с результатами полученными численным путём.

В пятой главе предложена новая концепция сверхнаправленной оптической наноантенны, выполненной в виде диэлектрической наночастицы с выемкой, которая возбуждается дипольным источником, расположенным внутри этой выемки. При этом антенна считается сверхнаправленной, если её размер много меньше чем длина излучаемой волны, а коэффициент направленности много больше направленности точечного диполя.

Сначала в этой главе вводится понятие сверхнаправленности применительно к оптическим наноантеннам. Проводится различие между обычными высоконаиравленными и сверхнаправленными наноантеннами. Анали-

зируются свойства эффективной апертуры сверхнаправленной наноаитен-ны и приводится удобное выражение для оценки наличия эффекта сверхнаправленности.

Далее демонстрируется и изучается эффект сверхнаправленности в диэлектрической наноантенне с выемкой. При этом важно, что эффект сверхнаправленности достигается без использования сложных массивов наноан-тенн или метаповерхностей. Здесь рассматривается кремниевая наночасти-ца с реальной дисперсией диэлектрической проницаемости и потерями ¡14]. Радиус кремниевой наночастицы в этом случае равен = 90 нм. Для кремниевой наночаетицы такого размера, при возбуждении однородным полем (на масштабах частицы), наиболее существенный вклад в оптический отклик вносят электрический и магнитный дипольные моменты, в то время как мультиполи высшего порядка пренебрежимо малы. Если на поверхности такой частицы сделать выемку, то произойдёт некоторое видоизменение ближнего поля, которое не приводит к сильному изменению его модового состава. Однако помещая дипольный источник (например, квантовую точку) внутрь этой выемки, как показано на Рис. 4а, ситуация изменится кардинально. В этом случае неоднородность ближнего поля дипольного источника приводит к возбуждению высших мультипольных мод ближнего ПОЛЯ частицы. Это, в свою очередь, сопровождается сильным увеличением коэффициента направленности, как показано на Рис. 46. Частица, как и выемка, может иметь различную форму - сферическую, эллипсоидальную, кубическую и так далее. Однако в этой работе рассматриваемая частица имеет форму сферы, в то время как выемка имеет форму полусферы с радиусом

< Р«- Эмиттер моделируется как точечный дипольный источник. На Рис. 4а источник показан красной стрелочкой.

Далее описывается и изучается эффект сильной зависимости направления основного лепестка диаграммы направленности (луча) от положения точечного источника расположенного в выемке. Смещение источника в плоскости перпендикулярной к оси аксиальной симметрии приводит к повороту луча без исчезновения эффекта сверхнаправленности. На Рис.5а изображены диаграммы направленности излучения в случае источника расположенного в центре выемки (красная линия), а также источника смещенного на 20 нм вправо (зелёная линия) и в лево (синяя линия). Дальнейший сдвиг точечного источника ведёт к ещё большему повороту основного лепестка. На Рис.56 приведена зависимость угла поворота от величины смещения источника. Видно, что для выбранной геометрии выемки, величина поворота равняется в среднем 1° на ка-ждый 1 им смещения. В этом пара-

Рис. 5: Эффект поворота основного лепестка диаграммы направленности при субволновом смещении точечного источника, (а) Диаграммы направленности излучения в случае источника, расположенного в центре выемки (красная линия), а также источника, смещённого на 20 нм вправо (зелёная линия) и в лево (синяя линия), (б) Зависимость угла поворота основного лепестка диаграммы направленности от величины смещения источника.

Сдвиг, НМ

графе также приводится анализ модового состава поля в случае не симметричного расположения источника и даётся объяснение эффекта поворота луча.

В заключительной части представлены результаты экспериментальной верификации обнаруженных эффектов сверхнаправленности и поворота основного лепестка диаграммы направленности излучения сверхнаправленной диэлектрической наноантенны в микроволновой области частот с использованием метода частотного масштабирования. Отмечается высокая степень согласия наблюдаемых экспериментальных результатов с результатами, полученными численным путём.

В Заключении обобщены основные результаты работы:

1. Показано, что одиночная диэлектрическая наночастица, изготовленная из материалла с высоким значением диэлектрической проницаемости (на примере кристаллического кремния), в случае возбуждения её плоской волной или точечным источником обладает одновременно электрическим и магнитным дипольным откликом и является источником Гюйгенса в некотором диапазоне оптических частот.

2. Предложен и теоретически исследо-

ван новый тип металло-диэлектрических наноантенн, состоящих из пары диэлектрической (кристаллический кремний) и металлической (серебро) наночастиц. Такая антенна способна реализовать эффективный динамический контроль диаграммы направленности рассеянного излучения путём изменения напряженности внешнего электрического поля.

3. Предложена диэлектрическая оптическая наноантенна Яги-Уда, включающая рефлектор в виде сферической кремниевой наночасти-цы и набор из 4 директоров меньшего размера, периодически упорядоченных вдоль прямой линии, а так же квантовый источник оптического излучения, расположенный между рефлектором и первым директором, имеет высокий коэффициент направленности, численно превышающий 10.

4. Обнаружен и исследован эффект сверхнаправленности в наноантенне, состоящей из дипольного источника, расположенного в выемке на поверхности диэлектрической наночастицы субволнового размера. По-казанно, что эффект сверхнаправленности достигается в следствии возбуждения набора высших мультипольных мод, преимущественно магнитного типа.

5. Обнаружен и исследован эффект поворота основного лепестка диаграммы направленности при субволновом смещении дипольного источника в выемке на поверхности диэлектрической сверхнаправленной наноантенны.

6. Основные результаты теоретического исследования и численного моделирования наноантенн Яги-Уда и сверхнаправленных наноантенн были экспериментально верифицированы с использованием метода частотного масштабирования в микроволновой области частот.

Основные результаты диссертационной работы изложены в публикациях: По перечню ВАК:

1. В. П. Дзюба, А. Е. Краснок, Ю. Н. Кульчин. Нелинейность показателя преломления диэлектрических нанокомпазитов в слабых оптических полях // Письма в ЖТФ - 2010 - Т. 36 - С. 1.

2. В. П. Дзюба, А. Е. Краснок, Ю. Н. Кульчии, И. В. Дзюба. Модель нелинейного пропускания снега диэлектрическими нанокомпозитами // Физика и техника полупроводников - 2011- Т. 45 - С. 306.

3. А. Е. Краснок, В. П. Дзюба, Ю. Н. Кульчин. Влияние разброса квантовых точек по форме на их совместную плотность состояний // Письма в ЖТФ - 2011- Т. 37 - С. 83.

4. А. Е. Краснок, А. Е. Мирошниченко, П. А. Белов, Ю. С. Кившарь. Оптические элементы Гюйгенса и наноантениы Яги-Уда на основе диэлектрических наночасгиц // Письма в ЖЭТФ- 2011.- Т. 94- С. 635.

5. D. S. Filonov, А. Е. Krasnok, А. P. Slobozhanyuk, P. V. Kapitanova, Е. A. Nenasheva, Yu. S. Kivshar, P. A. Belov. Experimental verification of the concept of all-dielectric nanoantennas // Applied Physics Letters-2012 - Vol. 100 - P. 201113.

6. A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichenko, P. A. Belov, Yu. S. Kivshar. All-dielectric optical nanoantennas /7 Opt. Express - 2012 - Vol. 20- P. 20599.

7. R. E. Noskov, A. E. Krasnok, Yu. S. Kivshar. Nonlinear metal-dielectric nanoantennas for light, switching and routing // New Journal of Physics.-2012,- Vol. 14,- P. 093005.

8. A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichenko, P. A. Belov, Yu. S. Kivshar. All-dielectric optical nanoantennas // AIP Conf. Proc - 2012 - Vol. 1475 - P. 22.

9. A. E. Краснок, П. А. Белов. Оптическая маноантениа волновой канал // Патент на полезную модель №2012153974/28(085767)(РФ) от 12.12.2012.

Другие публикации:

10. В. П. Дзюба, А. Е. Краснок, Ю. Н. Кульчин, И. В. Дзюба. Модель нелинейного пропускания света диэлектрическими нанокомпозитами // Перспективные направления развития нанотехнологий в ДВО РАН,- 2010.- Т. 3.- С. 168.

11. V. P. Dzyuba, Yu. N. Kulchin, A. E. Krasnok, V.A. Milichko, I. V. Dzyuba. The nonlinear refractive index of dielectric nanocomposite as a function of intensity and frequency of radiation // Pacific Science Review - 2011- Vol. 12 - P. 243.

12. В. П. Дзюба, A. E. Краснок, Ю. H. Кульчин, И. В. Дзюба. Модель нелинейного пропускания света диэлектрическими нанокомпозитами // Вестник РФФИ.- 2011.- Т. 69.- С. 56.

13. А. Е. Краснок, А. Е. Мирошниченко, П. А. Белов, Ю. С. Кившарь. Оптические элементы Гюйгенса и наиоантенны Яги-Уда на основе диэлектрических наночастиц // Сборник трудов VII международной конференции молодых учёных и специолистов "Оптика 201Г'-Сапкт-Петербург, 2011.-С.652.

14. А. Е. Krasnok, А. Е. Miroshnichenko, D. S. Filonov, А. Р. Slobozhanyuk, P. V. Kapitanova, P. A. Belov, Y. S. Kivshar. All-dielectric optical nanoantennas. //' Proceedings of the International Conference "Metamaterials 2012"-Saint-Petersburg, 2012.-P.91.

15. R. E. Noskov, A. E. Krasnok, Y. S. Kivshar. Ultrafast light switching and routing by nonlinear metal-dielectric nanoantennas // Proceedings of the International Conference "Days on Diffraction 2012" - Saint-Petersburg, 2012. - P. 147.

16. D. S. Filonov, A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichenko, A. P. Slobozhanyuk, P. V. Kapitanova. Y. S. Kivshar, P.A. Belov. Testing the concept of all-dielectric optical nanoantennas at microwaves // Proceedings of the International Conference "Days on Diffraction 2012" - Saint-Petersburg, 2012. - P.134.

17. D. S. Filonov, A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichenko, A. P. Slobozhanyuk, P. V. Kapitanova, Y. S. Kivshar, P. A. Belov. Modeling of Optical Dielectric Nanoantennas at Microwaves // Proceedings of The 2012 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation - Chicago (USA), 2011. - P.97.

18. A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichenko, P. A. Belov, Y. S. Kivshar. Progress in all-dielectric optical nanoantennas // Proceedings of the International Conference "META 2013" - Sharjah (UAE), 2013. - P. 603.

19. P. A. Belov, A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichenko, Y. S. Kivshar. All-dielectric optical narioantermas: concept and experimental verification // Proceedings of the International Conference "NANOMETA 2013" -Seefeld (Austria), 2013. - P. 39.

20. A. E. Краснок, П. А. Белов. Оптические антенны на основе диэлектрических наночастиц: концепция и экспериментальная верификация // Научные работы участников конкурса "Молодые учёные НИУ ИТМО"-Санкт-Петербург, 2013.-С.108.

Список литературы

[1] Alu A., Engheta N. Wireless at the nanoscale: Optical interconnects using matched nanoantennas // Phys. Rev. L. - 2010. - Vol. 104. - P. 213902.

[2] Bharadwaj P., Deutsch В., Novotny L. Optical antennas // Advances in Optics and Photonics. — 2009. — Vol. 1. — Pp. 438-483.

[3] Biagioni P., Huang J.-S., Hecht. B. Nanoantennas for visible and infrared radiation // Rep. Prog. Phys. - 2012. - Vol. 75. - P. 024402.

¡4] Klimov V. Nanoplasmonics. — Pan Stanford Publishing, 2011.

[5] Maier S. Plasinonics: Fundamentals and Applications. New York: Springe, 2007.

[6] Stockman M. I. Nanoplasmonics: past, present, and glimpse into future // Opt. Expvcss. — 2011. — Vol. 19.- P. 22029.

[7] Mahendra R., Nelson D. Metal Nanoparticles in Microbiology. — Springer, 2011.

[8] Atwater 11. A., Polrnan A. Plasmonics for improved photovoltaic devices // Nat. Materials. - 2010. - Vol. 9. - Pp. 205-213.

[9] Near-field probing of slow bloch modes on photonic crystals with a nanoantenna / P. Vo, M. Mivelle, S.Callard et al. // Opt. Express. — 2012. - Vol. 20. - Pp. 4124-4135.

[10] Compact dipole nanoantenna coupler to plasmonic slot waveguide / A. Andryieuski, R. Malureanu, G. Biagi et al. // Opt. Lett.— 2012.— Vol. 37.-Pp. 1124-1126.

|11| Optical response features of si-nanoparticle arrays / A. B. Evlyukhin, C. Reinhardt, A. Seidel et al. // Phys. Rev. B.- 2010.- Voi. 82.-P. 045404.

|12| Johnson P., Christy R. Optical constants of the noble metals // Phys. Rev. B. - 1972. - Vol. 6. - P. 4370.

|13] Size dependent x® f°r conduction electrons in Ag nanoparticles / V. Drachev, A. Buin, H. Nakotte, V. Shalaev // Nano Lett. - 2004. -Vol. 4. - P. 1535.

[141 Palik E. Handbook of Optical Constant, of Solids. — San Diego, Academic, 1985.

и С:

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел.(812)233 46 69. Объем 1,0 у.п.л. Тираж 100 экз.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Краснок, Александр Евгеньевич, Санкт-Петербург

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и

оптики

на правах рукописи

04201358175

Краснок Александр Евгеньевич

Оптические антенны на основе диэлектрических

наночастиц

Специальность:

01.04.05 - Оптика

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

научный руководитель:

доктор физико-математических наук,

П.А. Белов

Санкт-Петербург 2013

Оглавление

Введение 3

1 Принципы действия и основные характеристики оптических антенн 14

1.1 Введение..........................................................14

1.2 Основные характеристики оптических папоантенн..........18

1.3 Металлические наноантенны..................................30

1.4 Гибридные наноантенны........................................55

1.5 Нелинейные оптические наноантенны........................57

2 Оптические свойства диэлектрических наночастиц. Оптическая антенна источник Гюйгенса 63

2.1 Оптические свойства диэлектрических наночастиц..........66

2.2 Наноантенна источник Гюйгенса..............................69

3 Нелинейная металло-диэлектрическая наноантенна 77

3.1 Теоретическая модель нелинейной наноантенны............78

3.2 Результаты и обсуждение......................................82

4 Наноантенна Яги-Уда на основе диэлектрических наночастиц 87

4.1 Модель диэлектрической антенны Яги-Уда..................88

4.2 Экспериментальная верификация диэлектрической наноантенны Яги-Уда в микроволновой области частот..........92

5 Сверхнаправленные диэлектрические наноантенны 98

5.1 Понятие сверхнаправленности ................................99

5.2 Диэлектрическая сверхнаправленная наноантенна......102

5.3 Эффект поворота луча ....................110

5.4 Экспериментальная верификация в микроволновой области частот............................113

Заключение 116

Список литературы 119

Введение

Традиционно в области оптических длин волн управление электромагнитным полем происходит посредством линз, оптических волноводов, дифракционных элементов, то есть приборов, размеры которых гораздо больше длины волны управляемого излучения. С другой стороны, управление электромагнитным излучением в радио и СВЧ диапазонах с помощью аитепп, то есть приборов, сравнимых с длиной волны, является устоявшейся техникой. Несмотря па важность оптического диапазона частот, конкретные конструкции наноантенн и их практическая реализация стали обсуждаться совсем недавно. Это обусловлено тем, что характерные размеры оптической антенны определяются рабочей длиной волны излучения, что составляет сотни нанометров, поэтому возникает технологическая проблема воспроизведения объекта такого размера с наиометровой точностью.

Приемной паноаитенной называют устройство, которое способно эффективно преобразовывать падающий свет (излучение оптических частот) в сильно локализованное эванесцентнос поле [1.2]. Передающая наноантенна, наоборот, преобразует сильно локализованное поле оптических частот, созданное некоторым слабоизлучающим источником, в свободное излучение. Под сильно локализованным полем подразумевается электромагнитное поле, сконцентрированное в области малого по сравнению с длиной волны размера. Область, в которой сконцентрировано сильно локализованное поле, может быть субволновой во всех трех измерениях. В этом случае говорят о сильно локализованном ближнем поле, причем энергия такого поля является запасенной и не распростра-

няется.

Важной проблемой, которую должны решить оптические наноантеп-ны, является организация беспроводной системы передачи данных на поверхности и в объёме оптического чипа. Создание таких полностью оптических чипов является одной из основных задач нанофотоники [3-5]. Использование оптических чипов позволит создать оптические компьютеры и иные устройства передачи, хранения и обработки информации с революционно расширенными возможностями, скоростью функционирования, а также сделает их более компактными и менее энергоемкими. Использование в таких системах более привычных волноводных структур, когда сигналы передаются по плазмонным волноводам, наталкивается на непреодолимые сложности связанные с быстрой диссипацией энергии плазмонной волны. Наноантенны способны передавать оптические сигналы между различными частями оптических чипов по пустому пространству или слабо поглощающему материалу диэлектрической матрицы и поэтому в значительной мерс лишены этого недостатка [1].

Область применения оптических наноантенн не ограничивается вопросами разработки оптических микрочипов и затрагивает вопросы медицины [6], солнечной энергетики [7], микроскопии сверхвысокого разрешения и многих других областей науки и техники. В частности, использование концепции наноантенн позволяет решить проблему эффективной связи между волоконно-оптическими линиями передачи информации и элементами нанофотоники [8], включая оптические микрочипы. Применительно к области телекоммуникаций это позволит в сотни раз увеличить скорость передачи данных по уже существующим оптоволоконным сетям и повысить уровень их защиты и кодировки.

Однако металлические наноантенны, ввиду своей плазмонной природы, являются сильно диссипативными устройствами, что мешает их широкому применению. До сегодняшнего времени, в литературе отсутствовали работы по наноантеннам на основе диэлектрических наноча-стиц. Такие наноантенны являются объектом исследования данной

диссертационной работы.

Научная новизна. В работе предложен и развит новый, альтернативный плазмоннике, подход к разработке оптических наноантенн. Этот подход состоит в замене металлических структурных компонентов известных плазмонных наноантенн на наноэлементы, выполненные из материала с большим и положительным значением диэлектрической проницаемости. В силу этой замены наноантенны приобретают новые и уникальные свойства, такие как магнитный отклик и сверхнаправленность. В разработке диэлектрических наноантенн и исследовании их оптических свойств и состоит научная новизна диссертационной работы.

Основные методы исследования. Методами исследования являются аналитические методы, численное имитационное компьютерное моделирование и экспериментальная верификация при помощи частотного масштабирования в микроволновой области частот.

Научные положения выносимые на защиту:

1. Одиночная кремниевая наночастица субволновых размеров в случае возбуждения её плоской волной или точечным источником обладает одновременно электрическим и магнитным дипольным откликом и является источником Гюйгенса в некотором диапазоне оптических частот.

3. Диэлектрическая оптическая наноантенна Яги-Уда, включающая

рефлектор в виде сферической кремниевой наиочастицы и набор из 4 директоров меньшего размера, периодически упорядоченных вдоль прямой линии, а также квантовый источник оптического излучения, расположенный между рефлектором и первым директором, имеет высокий коэффициент направленности, численно превышающий 10.

4. Наноантенна, состоящая из дипольного источника, расположенного в выемке на поверхности диэлектрической наночастицы субволнового размера, обладает эффектом сверхнаправленности благодаря возбуждению набора высших мультипольных мод. Субволновое смещение дипольного источника в выемке вызывает эффект поворота основного лепестка диаграммы направленности.

Практическая значимость. Практическая значимость работы состоит в том, что в ней впервые предложен новый класс оптических нано-антенн на основе диэлектрических наночастид которые могут быть использованы для разработки и создания высокоэффективной элементной базы полностью оптических средств обработки информации.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах НИУ ИТМО и Австралийского национального университета (Канберра, Австралия), а также на международных конференциях:

• "МЕТА'13'', the 4th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics, Sharjah (UAE), 18-22 March 2013

• "Nanometa-2013", Sccfeld (Austria), 3-6 January 2013

• The Fifth International Workshop on Theoretical and Computational Nano-Photonics "TaCoNa-Photonics-2012!;, Bad Honnef (Germany) 2426 October 2012

• "Metamaterials-2012". St.Petersburg (Russia) 17 - 22 September 2012

• International conference "Days 011 Diffraction-2012' St.Petersburg (Russia), May 28 - June 1 2012

• 2012 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Chicago (USA), 08 - 14 Jul 2012

• Seventh International Conference of Young Scientists and Specialists "0ptics-201l", St. Petersburg (Russia), 17-21 October 2011

Публикации по теме диссертационной работы. Основное содержание диссертации отражено в 20 публикациях, из которых 9 входят в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации:

1. В. П. Дзюба, А. Е. Краснок, Ю. Н. Кульчин. Нелинейность показателя преломления диэлектрических нанокомпазитов в слабых оптических полях // Письма в ЖТФ,- 2010.- Т. 36.- С. 1.

2. В. П. Дзюба, А. Е. Краснок, Ю. Н. Кульчин, И. В. Дзюба. Модель нелинейного пропускания света диэлектрическими нанокомпозита-ми / / Физика и техника полупроводников.- 2011,- Т. 45.- С. 306.

3. А. Е. Краснок, В. П. Дзюба, Ю. Н. Кульчин. Влияние разброса квантовых точек по форме на их совместную плотность состояний / / Письма в ЖТФ,- 2011,- Т. 37,- С. 83.

4. А. Е. Краснок, А. Е. Мирошниченко. П. А. Белов, Ю. С. Кившарь. Оптические элементы Гюйгенса и наноантенны Яги-Уда на основе диэлектрических наночастиц // Письма в ЖЭТФ.- 2011.- Т. 94.-С. 635.

5. D. S. Filonov, А. Е. Krasnok, А. P. Slobozhanyuk, P. V. Kapitanova, Е. A. Ncnashcva, Yu. S. Kivshar, P. A. Belov. Experimental verification of the concept of all-dielectric nanoantennas // Applied Physics Letters.-2012,- Vol. 100,- P. 201113.

G. A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichcnko, P. A. Bclov, Yu. S. Kivshar. All-diclectric optical nanoantennas // Opt. Express - 2012.- Vol. 20.- P. 20599.

7. R. E. Noskov, A. E. Krasnok, Yu. S. Kivshar. Nonlinear metal-dielectric nanoantennas for light switching and routing // New Journal of Physics.-2012,- Vol. 14,- P. 093005.

8. A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichcnko, P. A. Bclov, Yu. S. Kivshar. All-dielectric optical nanoantennas // AIP Conf. Proc.- 2012.- Vol. 1475.-P. 22.

9. A. E. Краснок, П. А. Белов. Оптическая наноантенна волновой канал // Патент на полезную модель №2012153974/28(085767)(РФ) от 12.12.2012.

10. В. П. Дзюба, А. Е. Краснок, Ю. Н. Кульчин, И. В. Дзюба. Модель нелинейного пропускания света диэлектрическими нанокомпозита-ми // Перспективные направления развития нанотсхнологий в ДВО РАН.- 2010.- Т. 3,- С. 168.

И. V. P. Dzyuba, Yu. N. Kulchin, А. Е. Krasnok, V.A. Milichko, I. V. Dzyuba. The nonlinear refractive index of dielectric nanocomposite as a function of intensity and frequency of radiation // Pacific Science Review.- 2011.-. Vol. 12,- P. 243.

12. В. П. Дзюба, A. E. Краснок, Ю. H. Кульчин, И. В. Дзюба. Модель нелинейного пропускания света диэлектрическими нанокомпозита-ми // Вестник РФФИ.- 2011,- Т. 69.- С. 56.

13. А. Е. Краснок, А. Е. Мирошниченко, П. А. Белов, Ю. С. Кившарь. Оптические элементы Гюйгенса и наноантенны Яги-Уда на основе диэлектрических наночастиц // Сборник трудов VII международной конференции молодых учёных и специолистов "Оптика 2011"-Санкт-Петербург, 2011.-С.652.

14. А. Е. Krasnok, А. Е. Miroslmichenko, D. S. Filonov, А. P. Slobozhanyuk, P. V. Kapitanova, P. A. Bclov, Y. S. Kivshar. All-dielcctric optical nanoantennas. // Proceedings of the International Conference " Metamaterials 2012"-Saint-Petersburg, 2012.-P.91.

16. D. S. Filonov, A. E. Krasnok, A. E. Miroslmichenko, A. P. Slobozhanyuk, P. V. Kapitanova, Y. S. Kivshar, P.A. Belov. Testing the concept of all-dielectric optical nanoantennas at microwaves // Proceedings of the International Conference "Days on Diffraction 2012" - Saint-Petersburg, 2012. - P.134.

17. D. S. Filonov, A. E. Krasnok, A. E. Miroslmichenko, A. P. Slobozhanyuk, P. V. Kapitanova, Y. S. Kivshar, P. A. Belov. Modeling of Optical Dielectric: Nanoantennas at Microwaves // Proceedings of The 2012 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation - Chicago (USA), 2011. - P.97.

18. A. E. Krasnok, A. E. Miroshnichcnko, P. A. Bclov, Y. S. Kivshar. Progress in all-dielcctric optical nanoantennas /'/ Proceedings of the International Conference "META 2013" - Sharjah (UAE), 2013. - P. 603.

19. P. A. Bclov, A. E. Krasnok, A. E. Miroslmichenko, Y. S. Kivshar. All-dielectric optical nanoantennas: concept and experimental verification /7 Proceedings of the International Conference "NANOMETA 2013" -Seefeld (Austria), 2013. - P. 39.

20. A. E. Краснок, П. А. Белов. Оптические антенны на основе диэлектрических наночастиц: концепция и эксперементальная вери-

фикация // Научные работы участников конкурса " Молодые учёные НИУ ИТМО"-Санкт-Петербург, 2013.-С.108.

Личный вклад автора. Во всех выполненных работах автор принимал участие в постановке и решении задач, обсуждении полученных результатов и их интерпретации. Вклад автора при разработке диэлектрических наноантенн источник Гюйгенса и Яги-Уда был определяющим. Автором были обнаружены эффекты сверхнаправленности и поворота основного лепестка диаграммы направленности излучения при субволновом смещении источника в диэлектрической наноантенне с выемкой.

Структура и объем диссертации. Работа изложена па 130 страницах машинописного текста, включает 55 рисунков и список литературы из 180 наименований.

Во Введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулированы цель и научная новизна работы, перечислены основные положения, выносимые на защиту, а также кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава носит обзорный характер. В этой главе сформулировано общее понятие оптической антенны и приведены основные характеристики, которые относятся к данному разделу науки. Проведена классификация основных известных металлических наноантенн на группы согласно их геометрии и физическим принципам работы. По каждой из групп металлических наноантенн проведен обзор современной литературы. Даётся общее представление о нелинейных оптических наноантеи-нах. Обсуждаются основные достоинства и недостатки металлических наноантенн, а также обосновывается необходимость разработки нового типа наноантенн - наноантенн на основе диэлектрических наночастиц.

вариант диэлектрической наноантенны получившей название "источник Гюйгенса"'. Исследована зависимость коэффициента направленности источника Гюйгенса, от длины волны.

В третьей главе предлагается и теоретически исследуется новый тип металло-диэлектрических ианоантенн, состоящих из пары диэлектрической (кристаллический кремний) и металлической (серебро) нано-частиц. Высокое значение диэлектрической проницаемости диэлектрической наночастицы позволяет достигнуть эффективной концентрации света, в то время как нелинейный отклик металлической наночастицы позволяет контролировать направление рассеяния наноантенной внешней оптической волны. В результате такая структура способна реализовать эффективный динамический контроль диаграммы направленности рассеянного излучения путём изменения напряженности внешнего оптического поля.

Темой четвёртой главы является разработка наноантенн Яги-Уда на основе диэлектрических наночастиц. Здесь приводятся результаты аналитического и численного исследования диэлектрической наноантенны Яги-Уда, включающей рефлектор в виде сферической кремниевой наночастицы и набор из 4 директоров меньшего размера, периодически упорядоченных вдоль прямой линии, а также квантовый источник оптического излучения, расположенный между рефлектором и первым директором. Изучена зависимость коэффициента направленности от длины волны для диэлектрической наноантенны Яги-Уда. Показано, что существенным преимуществом наноантенны Яги-Уда на основе диэлектрических наночастиц перед антеннами на частицах из металла является возможность работы в более широком диапазоне длин воли. При этом, в виду слабого поглощения в диэлектрике, снимается проблема возрастания нерадиациониых потерь при приближении источника к поверхности частицы. Представлены результаты изучения фактора Перселла в диэлектрической наноантеине, его зависимость от геометрических характеристик наноантенн. а также сравнение его значения с фактором

Перселла в плазмонных антеннах.

В пятой главе предложена новая концепция сверхнаправленной оптической наноантенны выполненной в виде диэлектрической наночасти-цы с выемкой, которая возбуждается дипольным источником расположенным внутри этой выемки. При этом антенна понимается сверхна-правлснной, если её размер много меньше чем длина излучаемой волны, а коэффициент направленности много больше направленности точечного диполя. Сначала в этой главе вводится понятие сверхнаправленности применительно к оптическим наноантеннам. Проводится различие между обычными высоконаправленными и сверхнаправленными наноантен-нами. Ана