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La plasmónica se refiere a la generación, detección y manipulación de señales en frecuencias ópticas a lo largo de interfaces metal-dieléctricas en la escala nanométrica. [1] La plasmónica, inspirada en la fotónica , sigue la tendencia de miniaturizar los dispositivos ópticos (ver también Nanofotónica ) y encuentra aplicaciones en la detección, microscopía, comunicaciones ópticas y biofotónica. [2]

Principios [ editar ]

Los plasmónicos suelen utilizar los llamados polaritones de plasmón de superficie (SPP) , [1] que son oscilaciones electrónicas coherentes que viajan junto con una onda electromagnética a lo largo de la interfaz entre un dieléctrico (por ejemplo, vidrio, aire) y un metal (por ejemplo, plata, oro). Los modos SPP están fuertemente confinados a su interfaz de soporte, dando lugar a fuertes interacciones luz-materia. En particular, el gas de electrones en el metal oscila con la onda electromagnética. Debido a que los electrones en movimiento están dispersos, las pérdidas óhmicas en las señales plasmónicas son generalmente grandes, lo que limita las distancias de transferencia de la señal al rango sub-centimétrico, [3] a menos que las redes híbridas de guía de luz optoplasmónicas, [4] [5] [6]o amplificación de ganancia de plasmón [7] . Además de los SPP, los modos de plasmones superficiales localizados soportados por nanopartículas metálicas se denominan modos plasmónicos. Ambos modos se caracterizan por grandes valores de momento, que permiten una fuerte mejora resonante de la densidad local de los estados de los fotones, [8] y pueden utilizarse para mejorar los efectos ópticos débiles de los dispositivos optoelectrónicos.

Motivación y desafíos actuales [ editar ]

Actualmente se está haciendo un esfuerzo para integrar plasmónicos con circuitos eléctricos , o en un circuito eléctrico analógico, para combinar la eficiencia de tamaño de la electrónica con la capacidad de datos de los circuitos integrados fotónicos (PIC) . [9] Si bien las longitudes de las puertas de los nodos CMOS que se utilizan para los circuitos eléctricos están disminuyendo constantemente, el tamaño de los PIC convencionales está limitado por la difracción , lo que constituye una barrera para una mayor integración. Los plasmónicos podrían salvar este desajuste de tamaño entre los componentes electrónicos y fotónicos. Al mismo tiempo, la fotónica y la plasmónica pueden complementarse entre sí, ya que, en las condiciones adecuadas, las señales ópticas se pueden convertir en SPP y viceversa.

Uno de los mayores problemas para hacer factibles los circuitos plasmónicos es la corta longitud de propagación de los plasmones superficiales. Normalmente, los plasmones de superficie viajan distancias solo en la escala de milímetros antes de que la amortiguación disminuya la señal. [10] Esto se debe en gran parte a las pérdidas óhmicas, que se vuelven cada vez más importantes cuanto más profundo penetra el campo eléctrico en el metal. Los investigadores están intentando reducir las pérdidas en la propagación del plasmón superficial examinando una variedad de materiales, geometrías, la frecuencia y sus respectivas propiedades. [11] Los nuevos materiales plasmónicos prometedores de bajas pérdidas incluyen óxidos y nitruros metálicos [12] , así como grafeno . [13]La clave para una mayor libertad de diseño son las técnicas de fabricación mejoradas que pueden contribuir aún más a reducir las pérdidas al reducir la rugosidad de la superficie.

Otra barrera previsible que deberán superar los circuitos plasmónicos es el calor; El calor en un circuito plasmónico puede exceder o no el calor generado por circuitos electrónicos complejos. [10] Se ha propuesto recientemente para reducir el calentamiento en las redes plasmónicas por el diseño de ellos para apoyar vórtices ópticos atrapados, que circulan powerflow luz a través de los huecos entre las partículas reduciendo así la absorción y calentamiento óhmico, [14] [15] [16] En Además del calor, también es difícil cambiar la dirección de una señal plasmónica en un circuito sin reducir significativamente su amplitud y longitud de propagación. [9] Una solución inteligente al problema de desviar la dirección de propagación es el uso de espejos de Bragg.para inclinar la señal en una dirección particular, o incluso para funcionar como divisores de la señal. [17] Finalmente, las aplicaciones emergentes de plasmónicos para la manipulación de emisiones térmicas [18] y la grabación magnética asistida por calor [19] aprovechan las pérdidas óhmicas en metales para obtener dispositivos con nuevas funcionalidades mejoradas.

Guía de ondas [ editar ]

Los diseños óptimos de guías de ondas plasmónicas se esfuerzan por maximizar tanto el confinamiento como la longitud de propagación de los plasmones superficiales dentro de un circuito plasmónico. Los polaritones de plasmón de superficie se caracterizan por un vector de onda complejo , con componentes paralelos y perpendiculares a la interfaz metal-dieléctrico. La parte imaginaria del componente del vector de ondas es inversamente proporcional a la longitud de propagación del SPP, mientras que su parte real define el confinamiento del SPP. [20]Las características de dispersión de SPP dependen de las constantes dieléctricas de los materiales que componen la guía de ondas. La longitud de propagación y el confinamiento de la onda de polaritón del plasmón superficial están inversamente relacionados. Por lo tanto, un confinamiento más fuerte del modo normalmente da como resultado longitudes de propagación más cortas. La construcción de un circuito de plasmón superficial práctico y utilizable depende en gran medida de un compromiso entre la propagación y el confinamiento. Maximizar tanto el confinamiento como la longitud de propagación ayuda a mitigar los inconvenientes de elegir la longitud de propagación sobre el confinamiento y viceversa. Se han creado múltiples tipos de guías de ondas en busca de un circuito plasmónico con un fuerte confinamiento y suficiente longitud de propagación. Algunos de los tipos más comunes incluyen aislante-metal-aislante (IMI), [21]metal-aislante-metal (MIM), [22] plasmón de superficie con carga dieléctrica polariton (DLSPP), [23] [24] brecha de plasmón polariton (GPP), [25] canal de plasmón polariton (CPP), [26] cuña de plasmón superficial polariton (cuña), [27] y guías de ondas y redes optoplasmónicas híbridas. [28] [29] Las pérdidas por disipación que acompañan a la propagación de SPP en metales pueden mitigarse mediante amplificación de ganancia o combinándolas en redes híbridas con elementos fotónicos como fibras y guías de ondas de resonador acoplado. [28] [29]Este diseño puede dar como resultado la guía de onda plasmónica híbrida mencionada anteriormente, que exhibe un modo de sublongitud de onda en una escala de una décima parte del límite de difracción de la luz, junto con una longitud de propagación aceptable. [30] [31] [32] [33]

Acoplamiento [ editar ]

Los puertos de entrada y salida de un circuito plasmónico recibirán y enviarán señales ópticas, respectivamente. Para hacer esto, es necesario el acoplamiento y desacoplamiento de la señal óptica al plasmón de superficie. [34] La relación de dispersión para el plasmón de superficie se encuentra completamente por debajo de la relación de dispersión para la luz, lo que significa que para que se produzca el acoplamiento, el acoplador de entrada debe proporcionar un impulso adicional para lograr la conservación del impulso entre la luz entrante y las ondas de polaritón del plasmón de superficie lanzadas en el circuito plasmónico. [9] Hay varias soluciones para esto, incluido el uso de prismas dieléctricos, rejillas o elementos de dispersión localizados en la superficie del metal para ayudar a inducir el acoplamiento al igualar los momentos de la luz incidente y los plasmones de la superficie. [35]Una vez que se ha creado un plasmón de superficie y se ha enviado a un destino, se puede convertir en una señal eléctrica. Esto se puede lograr utilizando un fotodetector en el plano metálico o desacoplando el plasmón de la superficie en luz de propagación libre que luego se puede convertir en una señal eléctrica. [9] Alternativamente, la señal se puede desacoplar en un modo de propagación de una fibra óptica o guía de ondas.

Dispositivos activos [ editar ]

El progreso realizado en plasmones de superficie durante los últimos 50 años ha llevado al desarrollo de varios tipos de dispositivos, tanto activos como pasivos. Algunas de las áreas más destacadas de los dispositivos activos son ópticos, termoópticos y electroópticos. Los dispositivos totalmente ópticos han demostrado la capacidad de convertirse en una fuente viable para el procesamiento de información, la comunicación y el almacenamiento de datos cuando se utilizan como modulador. En un caso, se demostró la interacción de dos haces de luz de diferentes longitudes de onda convirtiéndolos en plasmones de superficie que se propagan conjuntamente a través de puntos cuánticos de seleniuro de cadmio . [36]Los dispositivos electroópticos tienen aspectos combinados de dispositivos ópticos y eléctricos en forma de modulador también. Específicamente, los moduladores electroópticos se han diseñado utilizando nanocables y rejillas metálicas resonantes acopladas de forma evanescente que se basan en plasmones de superficie de largo alcance (LRSP). [37] Asimismo, los dispositivos termoópticos, que contienen un material dieléctrico cuyo índice de refracción cambia con la variación de temperatura, también se han utilizado como moduladores interferométricos de señales SPP además de interruptores de acoplador direccional. Se ha demostrado que algunos dispositivos termoópticos utilizan guías de ondas LRSP a lo largo de franjas doradas que están incrustadas en un polímero y calentadas por señales eléctricas como un medio para la modulación y los interruptores de acoplador direccional. [38] Otro campo potencial radica en el uso de spasers en áreas como la litografía a nanoescala, el sondaje y la microscopía. [39]

Dispositivos pasivos [ editar ]

Aunque los componentes activos juegan un papel importante en el uso de circuitos plasmónicos, los circuitos pasivos son igualmente integrales y, sorprendentemente, no triviales de hacer. Muchos elementos pasivos como prismas , lentes y divisores de haz se pueden implementar en un circuito plasmónico; sin embargo, la fabricación a nanoescala ha resultado difícil y tiene efectos adversos. Pueden producirse pérdidas importantes debido al desacoplamiento en situaciones en las que se utiliza un elemento refractivo con un índice de refracción diferente. Sin embargo, se han tomado algunas medidas para minimizar las pérdidas y maximizar la compacidad de los componentes fotónicos. Uno de esos pasos se basa en el uso de reflectores Bragg, o espejos compuestos por una sucesión de planos para dirigir un haz de plasmón de superficie. Cuando se optimizan, los reflectores de Bragg pueden reflejar casi el 100% de la potencia entrante. [9] Otro método utilizado para crear componentes fotónicos compactos se basa en guías de ondas CPP, ya que han mostrado un fuerte confinamiento con pérdidas aceptables de menos de 3 dB dentro de las longitudes de onda de las telecomunicaciones. [40] Maximizar la pérdida y la compacidad con respecto al uso de dispositivos pasivos, así como dispositivos activos, crea más potencial para el uso de circuitos plasmónicos.

Referencias [ editar ]

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