混合共振元件谐振漏模式和等离子体中实验观察外文翻译资料

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混合共振元件谐振漏模式和等离子体中实验观察

我们提供支持同时表面等离子体激元和谐振漏模式混合光子器件的实验的证据。装配式的金属-电介质结构具有明显的 plasmonicresonance 799 毫微米波长和 669 模态共振在横向磁极 nm。在横向极化，弱的模态共振出现在 725 nm 波长。我们通过计算助理内部场分布确定相应的模式。数值计算的谱是在我们的测量很好的吻合。由于传统的模态分析及电浆设备找到的多种用途，其混合动力版本可能启用扩展其适用性

有纳米级的光子器件和传感器可以通过适用性部分地激励在表面等离子体激元的基本物理特性（的SPP）极大的兴趣，作为广泛讨论，SPP存在于金属介质界面，现有的波矢量SPP在平坦的金属/电介质界面入射波矢量不匹配, 界面内相（势头）采用其配套的激励计划，通常金属表面本身是周期性的来实现动力匹配，另外，通过将介质或半导体光栅毗邻均匀金属薄膜或金属衬底,spps可以同样被激励。Muller等人应用浅层光刻胶光栅演示实验证明了金/银层系统的SPP上耦合光吸收。Salakhutdinov等人认为是金属表面与介电光栅通过共振泄露模提高衍射效率，Seshadri在金属基板上进行了平面介质模波导的数值分析并显示出与引导模式和SPP耦合相关联的吸收光谱，采用微波辐射波长接近1厘米的蜡光栅铝合金基体，Hibbins和Sambles研究了耦合输入波的spps。Yoon等人开展对银模介质光栅的实验研究，进行理论模拟的银表面涂有一层介质光栅，他们的兴趣是用被测SPP光子带隙比较相应理论上计算的能带结构，Li等人计算吸收光谱和能带结构支持spps和波导模式。

与spps激励类似，如果光波导系统满足相应的相位匹配条件。在本征模式的激励下，发生了导模共振（GMR），不含金属的图样与亚波长周期可以耦合入射光泄露模。这类谐振元件具有很大的应用潜力，也许会超过SPP设备类。

在过去的几十年里不同的GMR和SPP共振效应和应用已经深入研究。相比之下尽管已经有论文引用最小的研究设备同时支持这两个共振效应。它详细表征混合SPP / GMR元件的光谱响应，并在每个光谱共振位置详细场计算并分析它们的模式的结构，这是由包括SPP-搭载CMOS芯片内集成的导体以及先进的混合型GMR/ SPP生物传感器的激励。因此在这次讨论里，我们计算出光谱并提出代表性混合共振结构,详细显示的场分布,说明SPPS和泄露模如何在设备中定位。通过测量反射光谱对横向磁场(TM)和横向电场(TE)偏振状态，工作光子SPP / GMR元素验证实验结果和理论数值结果吻合良好。

图1（a）说明了设备结构基片是具有波长依赖性的复杂折射率的金（Au）如图所示，介质光栅, ,=600nm厚度d和填充因子F=0.4连接到金衬底，介质的折射率设置为1.60。图1（b）显示这个元素在垂直入射的反射响应薄(d=100nm)和厚(d=900nm)为TM偏振光栅，如图1（b）所示，在小厚度情况下，只有一个反射出现下降，此反射对应一个典型的spps激励，然而,通过增加厚度900nm，除了SPP，GMR显现并对应三个准导引模式。对于TN偏振图1（c）显示磁场的光栅和周围介质内的分配，当他们光栅厚度在SPP谐振波长100纳米，如图所示，

图1.（a）介电光栅放置在金衬底混合元件的示意图·光栅的周期,厚度,及其填充因数分别用K,d,和F表示，TM（TE）偏振入射光具有其磁（电）场垂直于入射平面的矢量。（b）反射响应的元素与光栅厚度d,对TM极化对SPP谐振位于710.5nm（d=100nm），并混合SPP和漏模谐振位于618.5nm，702.6nm和778.8nm（d=900nm）。（c）总磁场分布纯SPP激发为710.5 nm d=100 nm和(d)混合SPP泄露模激发为618.5nm d=900 nm，在计算中，在Au衬底，使用由Johnson和Christy参考文献中提供的频率相关的复数折射率建模

观察到金属界面上的特征位置，spps驻波被激励。图1（d）表明当d=900 nm时，磁场强度的反射最小值在618.5 nm处，在这里金属表面SPP状场浓度以及泄漏模式（TM2）在电介质基本上驻留是可见，对于这种情况下的正常入射，相反方向的模式被激励在TM2模式随之呈现驻波特性，其他两个反射最小值波长越长，计算显示类磁场与TM1(在703 nm)和TM0模态(779海里)的属性类似。同样，计算TE极化显示TE1和TE0型漏模场相同在的光谱区。该光栅是一个对称结构，因此，GMR定位只有第二个阻带边缘。，这些数值计算是利用严格耦合波分析进行的

为了制作该装备，溅射系统与高纯度金耙用于沉积薄膜抛光，矽衬底1 nm / s的速度，沉淀后，晶片上的金膜是以500rpm的转速正性光刻（PR）和固化在加热板上，调整到110℃，净多60秒，PR薄膜从光的波长lambda;=266 nm和强度0.1 mW /平方厘米连续波激光干涉系统暴露，所得的周期由lambda; / 2，其中lambda;为波长，h是入射光的对称率的情况下的入射角给出。

扫描电子显微镜（SEM）被用来表征样品，从扫描电镜截面图2中看出，电介质光栅的厚度为560nm，发现其脊宽度为220nm 这对应于一个填充系数F~0.37，如图所示侧壁没有完全垂直的，因此顶部和底部的宽度的加权平均值被取为理论值

设备的共振特性研究使用氘 - 钨灯作为光源，反射光谱的波长范围lambda;=400 - 1000 nm。零级反射(R0)光谱测量在垂直。归一化反射率测量如图3所示。为了比较这两个偏振态，计算光谱绘制在同一曲线图，频谱计算的拟合参数and;=653nm, d1=560nm, d2=80nm, n=1.6, F=0.35。对Au和Si的复杂和色散折射率考虑，作为R0强度耦合损耗金属表面的TM和TE模式的共振特征是显而易见的，总内部场分布模式对应于实验共振位置如图4所示。

图3. 测量反射率的元素(实曲线)对计算出的反射光谱(虚曲线)在TM极化(顶部)和TE极化(底部)。的结构参数计算=653nm(符合瑞利异常在653纳米测量光谱),F=0.35(这给最适合的TM共振位置;TE共振相对不敏感),和金厚度frac14;80海里(基于SEM图像的图2)。

图4所示。在线(颜色)总磁场分布（|H|）(a)SPP和(b)TM1励磁方式。(c)总电场分布(jEj)TE0励磁方式。反射光谱的共振响应和位置相关图3所示。

共振观察（TE0）是关系到渗漏模式的激励,spp共振只出现在TM偏振入射光的状态，这些观察结果进一步被图4所证明。在磁场和电场分布的共振波长如图3所示。在图4(a)和4（b）中显示，结构支持表面等离子共振波长较长（799纳米），并在较短的波长的GMR关于TM光的波长越短（669纳米），相比之下,只观察GMR TE光如图4(c)没有任何领域集中在金属/电介质界面。

总之，光子器件的实验证据同时支持提供了SPP和GMR类型的共振，制造造的金属电介质结构表现出799nm波长的显著等离子共振和669nm的TM偏振模态共振，随之而来的场分布定义谐振模式验证了理论模拟。在TE偏振,弱态共振出现在波长725纳米。传统SPP和GMR设备在许多应用程序中使用；混合动力版可能使他们潜在的扩展，以及在这些基本共振效应接地提供线路先进设备。这项研究是由得克萨斯新兴科技基金的国家出资的UT系统得克萨斯纳米电子研究优势奖的部分资助

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