高閉じ込め・超高感度表面フォノン・ポラリトンのための共鳴ナノ構造

Resonant nanostructures for highly confined and ultra-sensitive surface phonon-polaritons.

• Alexander M Dubrovkin
• Bo Qiang
• Teddy Salim
• Donguk Nam
• Nikolay I Zheludev
• Qi Jie Wang

抄録

金属-誘電体界面でのプラズモニクスは、部品の微細化やフォトニック回路の相互接続のための主要なルートとして広く認識されていたが、最近では、高指数カルコゲナイド膜を用いた超微細表面フォノン・ポラリトニクスが重要な代替手段として登場した。しかし、最近では、ナノメートル厚の高指数カルコゲナイド膜を用いた超精密表面フォノンポラリトニクスが、プラズモニクスに代わる重要な手段として浮上してきている。ここでは、中赤外近接場イメージングを用いて、炭化ケイ素上の厚さ数nmのゲルマニウムのCMOS互換界面における調整可能な表面フォノン・ポラリトンを実証した。ナノスケールのフットプリントを持つGe-SiC共振器が、その物理的寸法の数百倍の自由空間波長で励起されたシート表面モードとエッジ表面モードをサポートできることを示す。このモードの表面性により、実空間ポラリトニックパターンの感度は、サブナノメートルレベルでの界面組成変化を局所的に検出する道筋を提供する。このようなサブ波長の深い共振器は、高密度光電子応用、フィルター、分散制御、光遅延デバイスなどの応用が期待されています。

Plasmonics on metal-dielectric interfaces was widely seen as the main route for miniaturization of components and interconnect of photonic circuits. However recently, ultra-confined surface phonon-polaritonics in high-index chalcogenide films of nanometric thickness has emerged as an important alternative to plasmonics. Here, using mid-IR near-field imaging we demonstrate tunable surface phonon-polaritons in CMOS-compatible interfaces of few-nm thick germanium on silicon carbide. We show that Ge-SiC resonators with nanoscale footprint can support sheet and edge surface modes excited at the free space wavelength hundred times larger than their physical dimensions. Owing to the surface nature of the modes, the sensitivity of real-space polaritonic patterns provides pathway for local detection of the interface composition change at sub-nanometer level. Such deeply subwavelength resonators are of interest for high-density optoelectronic applications, filters, dispersion control and optical delay devices.