Команда НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» ГК «Росатом» разработала технологию создания плазмонных волноводов на основе тонких пленок золота с рекордной длиной распространения сигнала 250 мкм. Новые волноводы с уникальными свойствами найдут применение в волноводных оптических датчиках, высокочувствительных плазмонных сенсорах, а также оптических межсоединениях для процессоров нового поколения.
Интегральная волноводная оптика – одно из стремительно развивающихся направлений современной физики, открывающее новые возможности передачи и управления сигналами на микросхемах, изготовления сверхчувствительных химических и биологических сенсоров, оптических гироскопов и спектрометров. Наиболее перспективным типом оптических волноводов являются плазмонные волноводы из благородных металлов, конструкция которых позволяет минимизировать потери на рассеяние и, соответственно, увеличить длину распространения поверхностного плазмона, что критично для существенного повышения эффективности плазмонных устройств.
В НОЦ ФМН разработана технология создания плазмонных волноводов на основе тонких пленок золота, демонстрирующих непревзойденные характеристики: рекордную длину пробега поверхностного плазмона 250 мкм на оптических длинах волн, что соответствует значениям, полученным в результате численного моделирования, проведенного командой ИТПЭ РАН под руководством Александра Мерзликина. Продемонстрированная длина распространения сигнала является рекордной для плазмонных волноводов подобного типа на основе золота из опубликованных в литературе.
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,
«Достигнутое рекордное значение распространения сигнала – это результат модельной оптимизации конструкции плазмонных волноводов и высокого уровня разработанной в Бауманке технологии. При пересечении таких волноводов сигнал не перетекает из одного в другой, 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, заместитель директора по науке ИТПЭ РАН.
Для создания плазмонных волноводов с рекордными характеристиками использовались ультратонкие (10-12 нм) 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 сверхкачественных 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.
Разработанная технология в настоящее время уже используется для создания 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).
Результаты работы опубликованы в статье Quarter-Millimeter Propagating Plasmons in Thin-Gold-Film-Based Waveguides for Visible Spectral Range в Journal of Lightwave Technology.
Источник информации и фото: МГТУ им. Н.Э. Баумана
