Команде ученых из ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова» ГК «Росатом», МГТУ им. Н. Э. Баумана и ИТПЭ РАН удалось создать плазмонные волноводы на основе тонких пленок золота с рекордной длиной распространения сигнала 250 мкм. Новые волноводы с уникальными свойствами найдут применение в интегральных оптических схемах, высокочувствительных волноводных сенсорах, а также в оптических межсоединениях для высокопроизводительных вычислительных систем нового поколения.
Фото: EyeEm / Getty Images
Фото: EyeEm / Getty Images
Интегральная волноводная оптика (волноводы — это микроскопические провода, только не для электрического тока, а света) — стремительно развивающееся направление современной физики и технологий. Она открывает новые возможности передачи и управления сигналами на микросхемах, изготовления сверхчувствительных химических и биологических сенсоров, оптических гироскопов, акселерометров, спектрометров и других датчиков. Применение технологий интегральной оптики позволяет создать миниатюрные и дешевые устройства с низким энергопотреблением, которые, например, могут быть встроены в различные современные портативные гаджеты.
Одним из перспективных типов оптических волноводов являются плазмонные волноводы с поперечными размерами меньше рабочей длины волны света. По таким волноводам распространяется не просто свет, а так называемые плазмоны — связанные колебания светового поля и электронов проводимости (электронной плазмы) в металле. Именно плазмонные волноводы обладают свойствами, которые делают их в ряде случаев более предпочтительными для применения, чем традиционные диэлектрические или полупроводниковые волноводы, например, из кремния. Дело в том, что плазмонные волноводы позволяют зачастую напрямую связать электронные и оптические компоненты наноустройств без дополнительных преобразователей.
Плазмонная волна имеет высокую локализацию поля вблизи поверхности металла, например, в узких (шириной менее 500 нм) зазорах между металлическими структурами или на различных металлических объектах нанометрового масштаба. Такое локализованное поле позволяет усилить взаимодействие плазмона с окружающим металл веществом. Это свойство широко используется для усиления чувствительности химических и биологических сенсоров, а также для повышения эффективности и скорости переключателей (модуляторов) оптических сигналов, передаваемых по волноводам на чипе. Помимо этого за счет высокой отражающей способности металла возможно создание миниатюрных и высокоэффективных компонентов для управления плазмонами в волноводах: их возбуждения, перенаправления и фокусировки, как с обычным светом с помощью линз и зеркал. Такими элементами выступают плазмонные дифракционные решетки, плазмонные зеркала и плазмонные антенны. Другим преимуществом плазмонных волноводов является то, что металлические пленки, на основе которых они выполнены, могут использоваться в качестве встроенных электродов для управления свойствами плазмонных устройств.
Оптический плазмонный волновод Al2O3/ Au /Al2O3.
(а) Модель оптического плазмонного волновода.
СЭМ-изображения оптического плазмонного волновода: (b) входной элемент в виде решетки, (c) выходной элемент в виде решетки,
(d) увеличенное изображение решетки
Оптический плазмонный волновод Al2O3/ Au /Al2O3.
(а) Модель оптического плазмонного волновода.
СЭМ-изображения оптического плазмонного волновода: (b) входной элемент в виде решетки, (c) выходной элемент в виде решетки,
(d) увеличенное изображение решетки
В совместном НОЦ «Функциональные микро- / наносистемы» ФГУП «ВНИИА им. Н. Л. Духова» ГК «Росатом» и МГТУ им. Н. Э. Баумана разработана технология создания плазмонных волноводов на основе тонких пленок золота, демонстрирующих непревзойденные характеристики — рекордную длину пробега поверхностного плазмона 250 мкм на оптических длинах волн. При этом полученные результаты полностью согласуются с предсказанными результатами численного моделирования, проведенного командой теоретиков под руководством Александра Мерзликина, заместителя директора по науке ИТПЭ РАН. Экспериментальное исследование созданных плазмонных устройств проведено силами ВНИИА имени Духова в лаборатории Александра Барышева. Продемонстрированная длина распространения сигнала является рекордной для плазмонных волноводов подобного типа на основе золота из опубликованных в литературе.
«Достигнутая рекордная длина распространения сигнала — это результат модельной оптимизации конструкции плазмонных волноводов и высокого уровня разработанной в Бауманке технологии. Благодаря высокой степени однородности тонких золотых пленок затухание и рассеяние плазмонов в них сведено к минимуму. При пересечении таких волноводов сигнал не перетекает из одного в другой, и это свойство позволяет увеличить плотность “упаковки” и таким образом делает плазмонные волноводы оптимальным решением для межсоединений в чипах на полупроводниках. Совместно мы разработали принципиально новые устройства, которые сделают сборки процессоров на чипе, плазмонные лазеры и сенсоры еще более эффективными»,— отметил Александр Мерзликин.
Для создания плазмонных волноводов с рекордными характеристиками использовались ультратонкие (10–12 нм — менее сотни атомных слоев) сплошные пленки золота без дефектов. Второе слагаемое успеха — собственное ноу-хау изготовления волноводов, включающее сложный многоступенчатый процесс плазмохимического травления, оптимизированного для каждой стадии формирования трехслойной тонкопленочной структуры Al2O3 / Au / Al2O3.
«Травление стека золота с оксидом алюминия — крайне сложный процесс, практически всегда приводящий к полной деградации оптических свойств ультратонких пленок золота. Нашим ребятам удалось разработать нетривиальную технологию травления, которая не только обеспечивает формирование высококачественных наноструктур, но и позволяет добиться оптических и плазмонных свойств выше уровня лучших мировых образцов. Надеюсь, что технологические ноу-хау МГТУ и ВНИИА станут драйвером развития этой перспективной области нанофотоники»,— отметил Илья Родионов, директор НОЦ «Функциональные микро- / наносистемы».
«Разработанные технологические ноу-хау уже используются при создании сверхчувствительных оптических газовых сенсоров (подробнее — в публикации Optical Properties of Tungsten Trioxide, Palladium, and Platinum Thin Films for Functional Nanostructures Engineering в журнале Optics Materials Express), а продемонстрированные конструкции волноводов в силу их миниатюрности, сверхчувствительности и удобства возбуждения / детектирования плазмонных волн обладают конкурентными преимуществами для разработки элементов лаборатории на чипе»,— отметил Александр Барышев.
Использованы материалы статьи:«Quarter-Millimeter Propagating Plasmons in Thin-Gold-Film-Based Waveguides for Visible Spectral Range»; Vladimir V. Kornienko; Alina А. Dobronosova; Anton I. Ignatov; Michail Andronik; Ilya A. RodionovAlexey N. Shaimanov, Nikita S. Smirnov, Georgy M. Yankovskii, Alexander V. Baryshev, Alexander M. Merzlikin; журнал IEEE Xplore, Journal of Lightwave Technology, июль 2021 г.