Computer-aided design of surface plasmon nano optical waveguides by method of lines

Title

Computer-aided design of surface plasmon nano optical

_{waveguides by method of lines( 内容の要旨(Summary) )}

Author(s)

Tran Trong Minh

Report No.(Doctoral

Degree)

博士(工学) 甲第377号

Issue Date

2009-09-09

Type

博士論文

Version

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12099/33538

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氏名(本籍) 学 位 の 種 類 学位授与番号 学位授与 日付 専 攻 学位論文題目 学位論文審査委員

恥an 取ong Minb(ヴェトナム) 博 士(工学) 甲第 377 号､ 平成 21年 9 月 9 日 電子情報システム工学専攻 Computer-aideddesignofsurfhceplasmonnanoopticalwaveg血desby methodoflines (メソッド･オブ･ラインによる表面プラズモンナノ光導波路の計算機支援 設計) (主査)河 瀬 順 洋 (副査)田 中 嘉津夫 田 中 雅 宏

論文内容の要旨

Opticalcircuitsonsd)WaVelengthornanome扇cscaleshaYeattraCtedagreatdealofabntion _recent)y.Tbe Si2X:Oftheopticalwaveguideusingsurhceplasmonpolariton(SPP)canbedecreasedsigmificantlycomparedtothe COnVentionaldi触tion-1imitedopticaldevice.Therefore,theSPPisexpectedtobeemployedasnanOmetricoptical Wireinintegratedopticalcircuitsandnanome扇copticaldevicesindlefuture.Itisdi伍culttoobtainangorousand analyticalso)utionoftheguidedmodefortheSPPwaveguideofatbi血Iy-Shaped.Tberefore,inthisresearch,We firstdeYe)opd)enunericalmethodcalledMethodofLines(MoL)withhighacctmcyforSPPwaveguides,andthen WeinvestigatethebasicchamcteristicsofSPPrectangularaJldgapwaveguide.AnumberofinterestinganduntlSual

血n血mentalchancteristics adTe _{reVealed.Tbe method oflines(MoL)presented} here,血ich _{cangivethe high} acctmyaJ)dfhstcalculationofthemethodfortheproposedprob)ems,areValidatedbytheothermethods:E飴dive indexmethod(EM),AmIyticalmethod,Finiteelementmethod(FEM)andvoluneintegrdequ如ion(VIE)method. nel血地虹ionsofEMandVⅡ王a陀也ensbown. TbehttimethecomplexpropagationconstantSandthe丘elddisbibutionsoftheSPPrectangularhollow WaVeguideconstruCtedofgo)dareinvestigatedinsu伍ciencyanddetailbyMoL.Byinvestigationandcomparison thedependencesofcomplexpropagationconstantSOfSPPwaveguideandthewaveguidemadeofperfectelectric COnductor(PEC)onthesi2X:SOfthewaveguideandonthewave)ength,theinterestingresultsoftheSPPwaveguide 血0wnthat:ThesizesthatgivethecutqoffconditionareSlgni丘cantlydecreased丘omthoseofthePECwaveguide;the normalizedphaseconstazdcanbecomela巧erthanmity;i.e.,thephasevelocityinthewaveguidecanbesmal1erthan thelightvelocityinfreespace三thepropagationconstantdependsonthewaveguide-Width,eVenforTEolandTEo2 modes.Wtalsofoundtheinteres血gresu)tsofthedi飴rencesinthepropagationchamcteristicsamongthevarious thewaveguidesconstructedofsilver(Ag),COpper(Cu),aluminum(Al)andmickel(Ni).Itisdi餌culttodefineexactly

CutqOffcondidons ofthe SPP rectangular waveguide whenthe relative _{pemittivityis} comp]ex va)ues,SOme reseamhershadcalculatedthecut増ffconditimofthewaveguidewhenthedissipationofthemetalisneglected,in

魚ctforcasedissipationisnotsmal1,SOWeprOpOSedthenewcutqoffconditionforSPPrectzmgularhol)owwaveguide inthisstudy.Anunericalstudyofthecomp)expropagationconstaJ)tSOfasurfhceplasmonpoIaritongapwaveguide

(SPGW)thatwasnanomebicinsizeisperfomedbytheⅡlethodoflines(MoL).Tbedependencesofthecomplex

propagadon constalds onthe si2X!S Ofthe SPGWs訂einvesdgatedin detai1皿dthefundamentalpropagation

CharactcrisdcsofSPGWszLrereYealed.TbeekindsofSPGWstruCtureS(Slぬ-SlれSlぬ一Pla土eandstaggcredslib-Slぬ) 訂eeXaminedwithaviewtoreducingtheattenuationconstantsandd)eSpOtSi2X:tOn皿Omebicsi2e.Itisfoundthat thenanOmebic重e)dconfinementcanbecontrolledbyusingthestaggeredsl曲-Slal)StruCttmOfSPGWwithouta largechangeinthepropagationconstants. Theresultsofpresentstudyhaveimpo血Itimplicationsforfuturetheoreticalandexperimentalstudiesof nanOme扇copticalcircuits,aSWellasforpractical叩Plications.

･13-論文審査結果の要旨

ナノ光学･ナノフォトニクスにおける基盤技術の一つは大強度･ナノスサイズを持つ光分布の生成であ る.近年,これを目的として表面プラズモンポラリトン(SurfacePlasJnOnPolariton:以下SPP)が注目を 集め,ナノサイズ近接場光生成やナノ光導波路にSPPを利用しようというアイデアが提案されている.特 にナノ光導波路に関しては将来の光集積回路への応用から､数多くのアイデアが提案されて来た｡2003年 には岐阜大学からナノサイズの金属空隙(以下ナノギャップ)を局在伝搬するSPPを利用する導波路のア イデアが提案された｡ナノギャップを伝搬するSPPは"増強されたナノサイズの局在光分布が生成できる" というナノ光学素子への応用という観点から見て,きわめて興味深い性質を持っている. こうしたSPPナノ導波路の応用において最も基礎となる物理量は伝搬定数である｡金属は光領域におい て複素誘電率を持つ誘電体と見なすことができる｡従って､光は金属内部に侵入し､マイクロ波領域のよ うに金属を完全導体と見なすことはできない｡さらに複素誘電率を持つ誘電体になるため､伝搬定数は基 本的に複素数となり､伝搬定数計算は数学的に複素固有値を持つ固有借間題になる｡言い換えれば､SPP を使ったナノ光導波路の伝播定数を求めることは容易ではない｡ 候補者はマイクロ波平面回路の解析で利用されるMethod of Lines(略してMoL)を使ってSPPナノ導波 路の複素伝搬定数を求める計算機コードを開発した｡MoLは導波路断面において､場を一方向には有限

差分で離散化し､それと直角方向には多層近似を使う数値解析手法である｡多層近似された方向ではマ

クスウェル方程式の厳密解が利用できるため､単純な有限差分法や時間領域有限差分法(FDTD法)よ り精度が高い結果が得られ､また､複素固有倦も求め易い｡ 候補者は開発したコードを導波路開口断面が矩形のSPPナノ矩形光導波路､同じく断面で幅広部と幅 狭部を持つSPPナノギャップ光学波路に適用して複素伝搬定数を精密に求め､こうしたSPPナノ光導波 路の以下のような基本的な特性を明らかにした｡ 1.SPPナノ光矩形導波路およびSPPナノギャップ光導波路の正確な複素伝搬定数を求めるMoLコード を開発した｡ 2.SPPナノ光矩形導波路の正確な複素伝搬定数を提案し､近似解法である等価屈折率法の有効範囲を 明確にした｡ 3.特にSPPナノ光矩形導波路では新しい導波路遮断条件を提案し､金属導波管と比較しながらその 基本的特性を明らかにした｡ 4.SPPナノギャップ光導波路の正確な複素伝搬定数を求めた｡また､導波路の伝搬損失を低減するた めの様々なアイデアを提案した｡ 5.特にナノギャップ光導波路ではstaggeredslab-Slab構造と呼ばれる導波路では､伝搬定数を大き く変化させることなく､ナノ光分布を変化させることが出来ることを見出した｡ 上記の研究結果はナノ光学･ナノフォトニクスの応用において基本的な結果となるものである｡

最終試崩鰯果の要旨

候補者は上記研究内容で､査読付き論文(英語)2編､査読付き国際会議発表1回､査読なし国内学会 発表1回を行っている｡ 学位論文委員会は､提出論文および論文別刷等を慎重に検討した結果､提出された論文の主要部分は審査 付き論文として既に発表であり､学位論文として完成された内容を有しているものと藩め､最終試験結果 は合格と判定した｡