DE60127176T2

DE60127176T2 - Schaltungsvorrichtung mit wellenleitern, deren zwei kleinste dimensionen kleiner als die geleiteten wellenlängen sind

Info

Publication number: DE60127176T2
Application number: DE60127176T
Authority: DE
Inventors: Nicolas Richard
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2021-11-16
Also published as: US6895143B2; EP1352272B1; AU2002223070A1; DE60127176D1; ATE356363T1; EP1352272A1; WO2002042812A1; CN1476543A; US20040028318A1; CN1314979C; JP4275410B2; JP2004523776A; FR2817357A1

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung von Strahlungsleitern, deren zwei kleinste Abmessungen kleiner sind als die Wellenlängen dieser Strahlung und die es dennoch schaffen, diese Strahlung aufgrund von „Plasmon"resonanzerscheinungen zu leiten.
In „Unidirectional Plasmon Propagation in Metallic Nanowires", R.M. Dickson et al, veröffentlicht in der Zeitschrift „Journal of Physical Chemistry B", Band 104, S. 6095-6098 sind die Eigenschaften der Ausbreitung von Plasmonen beschrieben, die durch unterschiedliche Wellenlängen in Plasmonleitern erregt werden, wobei jeder Leiter aus einem unterschiedlichen Material besteht.
In „Plasmon polaritons of metallic nanowires for controlling submicron propagation of light", Jean-Claude Weber et al, veröffentlicht am 15. September 1999 in der Zeitschrift „Physical Review B", Band 60, Nr. 12, S. 9061-9068 sind die Prinzipien des selektiven Transports von elektromagnetischer Energie mit Hilfe von metallischen, auf einem dielektrischen Substrat deponierten „Nanoleitern" beschrieben.
Diese länglichen metallischen Partikel werden auf dem dielektrischen Substrat beispielsweise mit Hilfe von kathodolithographischen Verfahren deponiert.
Dieser Beitrag gibt Beispiele an, die diese Prinzipien verdeutlichen, die auf der Verwendung von länglichen Parallelepipeden als „Nanoleitern" basieren, deren zwei kleinste Abmessungen, nämlich die Dicke h und die Breite e, kleiner sind als die Wellenlänge der Strahlung, die innerhalb derselben selektiv auszubreiten ist:

– durch Beleuchten des Endes eines „Nanoleiters" aus Gold mit den Abmessungen 1500 nm × 30 nm × 15 nm, die am anderen Ende detektierte normalisierte Lichtintensität ist maximal (40 %) für die Wellenlänge 835 nm, minimal und gleich Null für die Wellenlänge 633 nm;
– durch Beleuchten des Endes eines ebenfalls aus Gold bestehenden „Nanoleiters" mit den Abmessungen 1000 nm × 30 nm × 20 nm, die am anderen Ende detektierte normalisierte Lichtintensität ist maximal für eine unterschiedliche Wellenlänge, nämlich 770 nm.

Da das Übertragungsmaximum dieser „Nanoleiter" von der zu übertragenden Wellenlänge abhängt, spricht man von selektivem Transport elektromagnetischer Energie oder von Leiter mit spektraler Selektivität; das hier zur Erzielung dieser Selektivität eingesetzte Mittel beruht auf dem Unterschied der Abmessungen, insbesondere der zwei kleinsten Abmessungen der Nanoleiter, die vorliegend aus demselben Material hergestellt sind.
In diesem Dokument wird das folgende, in 9 dargestellte Beispiel beschrieben:

– zwei identische „Nanoleiter" mit einer Länge von 1 μm werden aus demselben Material hergestellt, auf einer dielektrischen Fläche deponiert und parallel um ca. 0,2 μm beabstandet derart angeordnet, dass zwei benachbarte Enden dieser Nanoleiter mit Hilfe eines selben Strahls gleichzeitig erregt werden können; diese Erregungsenden werden als Eingangsenden bezeichnet;
– an dem anderen Ende jedes „Nanoleiters" wird ein Gold-„Nanopartikel", das eine mit den Abmessungen 20 nm × 30 nm × 100 nm, das andere mit den Abmessungen 30 nm × 30 nm × 100 nm deponiert;
– die Eingangsenden der Nanoleiter werden gleichzeitig beleuchtet und es wird festgestellt, dass je nach der Beleuchtungswellenlänge das eine oder das andere der Nanopartikel eine Strahlung ausstrahlt.

Die Lehre dieses Dokuments ist somit, dass ein System mit zwei Nanoleitern, die um einen selben Beleuchtungspunkt oder Eingangsbereich angeordnet sind und mit Nanopartikeln unterschiedlicher Größe enden, es ermöglicht, ein Partikel zu erregen, das je nach der Wellenlänge der verwendeten Strahlung nahe dem einen oder dem anderen der Nanoleiter ist.
Das Mittel, das hier zur Erregung des Partikels verwendet ist, beruht auf dessen Größenunterschied.
Die Ausführung eines solchen Systems bleibt jedoch kostspielig, insbesondere, weil es das Deponieren von Nanopartikeln am Ende der Nanoleiter und die Erregung eines einzigen Partikels vorschreibt, aber auch, weil es das Deponieren von unterschiedlich großen Elementen auf dem dielektrischen Substrat vorschreibt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Nachteil zu vermeiden.
Gegenstand der Erfindung ist hierzu eine Vorrichtung zum optischen Schalten einer Strahlung nach Anspruch 1.
Die Erfindung kann ebenfalls eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:

– das Material ist aus der Gruppe gewählt, die Gold, Silber, Aluminium, Kupfer, Mischoxid aus Indium und Zinn umfasst;
– die Art des Leitermaterials und die Abmessungen der Leiter sind angepasst, um innerhalb derselben eine Elektronenplasmaresonanz für mindestens eine mögliche Wellenlänge der zu schaltenden Strahlung zu erzielen.

Die Wellenlänge der Resonanzerregung entspricht meist einem recht breiten Wellenlängenbereich, der auf einen Peak zentriert ist, an dem die Resonanz maximal ist; die Resonanzwellenlängen der Leiter liegen vorzugsweise alle zwischen 350 nm und 1100 nm.

– Die auf einer selben Fläche deponierten Leiter haben annähernd die gleichen Abmessungen.

Man verbietet sich dann, die Abmessungen als Selektivitäts- oder Schaltmittel wie in dem Stand der Technik zu verwenden; aufgrund dieses zusätzlichen Merkmals können die Leiter unterschiedlicher Art, aber gleicher Größe wirtschaftlicher unter Anwendung desselben Verfahrens gemäß den gleichen Einstellungen deponiert werden; das optische Schalten der Strahlung wird dann mit Hilfe von gleich großen, aber verschiedenartigen Leitern bewerkstelligt, wodurch sich eine Vorrichtung zum optischen Schalten wirtschaftlich herstellen lässt.
Unter annähernd identischen Abmessungen sind die Leiterabmessungen zu verstehen, zu denen man unter Anwendung desselben Deponierungsverfahrens gemäß den gleichen Einstellungen gelangt; die zwei kleinsten Abmessungen der Leiter sind vorzugsweise kleiner als oder gleich 100 nm; die zwei kleinsten Abmessungen liegen typischerweise in der Größenordnung von 40 nm.
Gegenstand der Erfindung ist ebenfalls ein optisches System mit einem Eingang und mehreren Ausgängen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum optischen Schalten umfasst, wobei der Eingang des Systems angepasst ist, um alle Eingangsenden der Leiter gleichzeitig zu beleuchten, und wobei jedes der Ausgangsenden der Leiter mit einem Ausgang des Systems verbunden ist.
Die Erfindung findet ganz besonders Anwendung auf eine Vorrichtung zum optischen Lesen gemäß mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen von digitalen Daten, die auf einem Träger wie einer optischen Disk gespeichert sind, mit einer Vorrichtung zum optischen Schalten der unterschiedlichen Wellenlängen zum Lesen gemäß den unterschiedlichen Wellenlängen.
Manche optischen Disks zur Speicherung digitaler Daten weisen unterschiedliche Aufnahmeschichten auf, die gleichzeitig gelesen werden können unter der Bedingung, dass Lese-Laserstrahen mit unterschiedlichen, jeweils einer Aufnahmeschicht angepassten Wellenlängen verwendet werden.
Auf anderen optischen Disks zur Speicherung digitaler Daten sind die Daten durch Lumineszenz zugänglich und erfordern ebenfalls eine Vorrichtung zum optischen Lesen gemäß unterschiedlichen Wellenlängen.
Weitere optische Disks wie beispielsweise diejenigen, bei denen die Daten in Form von „Plasmonen" gespeichert sind, erfordern Vorrichtungen zum Lesen gemäß mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen.
Die Vorrichtungen zum optischen Lesen derartiger Datenträger weisen somit Mittel auf, um die unterschiedlichen Lese- oder Lumineszenz-Wellenlängen zu schalten; hierzu wird vorteilhafterweise eine Vorrichtung zum optischen Schalten der Datenlesestrahlung mit einer Fläche verwendet, die mit Strahlungsleitern versehen ist, die jeweils eine längliche Form aufweisen, jeweils einen Eingang an einem Ende und einen Ausgang am anderen Ende umfassen, wobei die zwei kleinsten Abmessungen jedes Leiters geringer sind als die Wellenlängen der Strahlung, wobei diese Leiter derart auf der Fläche angeordnet sind, dass alle Eingangsenden von der Lesestrahlung in einem Bereich gleichzeitig beleuchtet werden können.
Jeder Leiter unterscheidet sich durch das Material, aus dem er besteht.
Eine derartige Schaltungsvorrichtung ist sehr leicht und sehr kompakt; sie kann somit sehr leicht in den Lesekopf der Lesevorrichtung integriert werden.
Die Erfindung betreffend die Schaltungsvorrichtung wird besser verständlich anhand der folgenden, als nicht einschränkendes Beispiel angegebenen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren. Es zeigen:
1 ein Schema der erfindungsgemäßen Vorrichtung, oben in einer Draufsicht, unten in einer Seitenansicht;
2 eine Darstellung der normalisierten Intensität, die am Ausgangsende der Leiter der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Abhängigkeit von der Wellenlänge ausgestrahlt wird.
Mit Hilfe von herkömmlichen kathodolithographischen Verfahren werden Leiter 1, 2 mit identischen Abmessungen, aber unterschiedlicher Art auf einem Glassubstrat 4 mit einem Index 1, 5 deponiert; es ergibt sich dadurch die in 1 schematisch dargestellte Vorrichtung.
Der erste Leiter 1 ist aus Aluminium, der zweite 2 ist aus Gold; die gemeinsamen Abmessungen der Leiter sind 2000 nm × 40 nm × 40 nm; die Leiter sind parallel in einem Abstand von ca. 0,1 μm, d.h., in einem Abstand angeordnet, der ausreichend hoch ist, um jeden Effekt einer direkten Kopplung der Leiter untereinander zu vermeiden, der jedoch ausreichend gering ist, damit zwei benachbarte Enden dieser Nanoleiter mit Hilfe eines selben Lichtstrahls gleichzeitig erregt werden können, wobei diese zwei Enden aus diesem Grund als Eingänge und die anderen Enden als Ausgänge bezeichnet werden.
Es soll jetzt gezeigt werden, wie die dadurch erhaltene Vorrichtung als Mittel zum optischen Schalten eingesetzt werden kann.
Wie in 1 dargestellt, wird der Strahl der zu schaltenden Strahlung dazu gebracht, zu einem die Eingangsenden der zwei Leiter übergreifenden Eingangsbereich 3 zu konvergieren.
Diese einfallende Strahlung kann mittels einer angepassten optischen Vorrichtung wie beispielsweise eines Immersionsobjektivs durch das Glassubstrat fokussiert werden; als Refraktionsindex des Immersionsöls dieses Objektivs kann ein Wert nahe 1,5 gewählt werden; als optische Öffnung dieses Objektivs kann ein Wert nahe 0,9 gewählt werden.
Mit Hilfe von angepassten, an sich bekannten Rechenmitteln wird die am Ausgangsende der Leiter in den oben erwähnten Erregungsbedingungen ausgestrahlte Intensität ausgewertet; die Ergebnisse wurden in einem Abstand in der Größenordnung von 30 nm über der oberen Fläche des Ausgangsendes der Leiter ausgewertet; die erzielten Ergebnisse werden in Abhängigkeit von dem einfallenden Licht normalisiert und in 2 übertragen: kontinuierliche Linie für den Aluminiumleiter, gestrichelte Linie für den Goldleiter; die Peaks auf diesen Figuren entsprechen den Wellenlängen, die die Elektronenplasmaresonanz im Inneren des entsprechenden Leiters erregen können; es wird beispielsweise eine maximale Resonanz bei 489 nm im Inneren des Aluminiumleiters und bei 790 nm im Inneren des Goldleiters beobachtet.
Wenn man unter diesen Erregungsbedingungen die räumliche Verteilung der Intensität des elektromagnetischen Felds entlang den Leitern

– bei einer Erregung bei 489 nm beobachtet, stellt man fest, dass die elektromagnetische Welle sich lediglich in dem Aluminiumleiter ausbreitet;
– bei einer Erregung bei 694 nm beobachtet, stellt man fest, dass die elektromagnetische Welle sich gleichzeitig in den beiden Leitern ausbreitet;
– bei einer Erregung bei 790 nm beobachtet, stellt man fest, dass die elektromagnetische Welle sich im Wesentlichen lediglich in dem Goldleiter ausbreitet.

Das dadurch erhaltene System kann somit tatsächlich als Mittel zum optischen Schalten verwendet werden.
Gemäß einer Variante der Erfindung werden auf dem Glassubstrat mehrere Nanoleiter mit identischen Abmessungen, aber aus unterschiedlichen Materialien derart deponiert, dass sich mehr als zwei Ausgänge ergeben, wobei der Eingang immer unter den unterschiedlichen Nanoleitern aufgeteilt ist; gemäß dieser Variante werden die Nanoleiter beispielsweise sternförmig um den Eingangs- oder Erregungsbereich, wo der einfallende Strahl konvergiert, angeordnet; diese unterschiedlichen Materialien werden in an sich bekannter Weise so gewählt, dass sich die Resonanzmaximum-Wellenlängen nicht überlagern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum optischen Schalten ist wirtschaftlicher als diejenigen nach dem Stand der Technik, insbesondere, weil alle Nanoleiter dieser Vorrichtung dieselbe Größe aufweisen und mit Hilfe eines selben Deponierungsverfahrens gemäß den gleichen Einstellungen realisiert werden können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum optischen Schalten kann vorteilhafterweise in eine Vorrichtung zum optischen Lesen des Trägers zur Speicherung digitaler Daten integriert werden.

Claims

Vorrichtung zum optischen Schalten einer Strahlung mit. – Beleuchtungsmitteln, die die zu schaltende Strahlung emittieren, – einer Fläche, die mit Plasmonleitern (1, 2) versehen ist, die jeweils eine längliche Form aufweisen, sich durch das Material, aus dem sie bestehen, unterscheiden und jeweils einen Eingang an einem Ende und einen Ausgang an dem anderen Ende aufweisen, wobei die zwei kleinsten Abmessungen jedes Leiters geringer sind als die Wellenlängen der Strahlung und die Leiter in einem ausreichend hohen Abstand angeordnet sind, um jeden Effekt einer direkten Kopplung untereinander zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungsmittel angepasst und die Leiter auf der Fläche angeordnet sind derart, dass alle Eingangsenden der Leiter in einem Bereich (3) durch die zu schaltende Strahlung gleichzeitig beleuchtet werden.
Vorrichtung zum optischen Schalten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus der Gruppe gewählt ist, die Gold, Silber, Aluminium, Kupfer, Mischoxid aus Indium und Zinn umfasst.
Vorrichtung zum optischen Schalten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Art des Leitermaterials und die Abmessungen der Leiter angepasst sind, um innerhalb derselben eine Elektronenplasmaresonanz für mindestens eine mögliche Wellenlänge der zu schaltenden Strahlung zu erzielen.
Vorrichtung zum optischen Schalten nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzwellenlängen der Leiter alle zwischen 350 nm und 1100 nm liegen.
Vorrichtung zum optischen Schalten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf einer selben Fläche deponierten Leiter annähernd die gleichen Abmessungen haben.
Vorrichtung zum optischen Schalten nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei kleinsten Abmessungen der Leiter kleiner als oder gleich 100 nm sind.
Optisches System mit einem Eingang und mehreren Ausgängen, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung zum optischen Schalten nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst, wobei der Eingang des Systems angepasst ist, um alle Eingangsenden der Leiter gleichzeitig zu beleuchten, und wobei jedes der Ausgangsenden der Leiter mit einem Ausgang des Systems verbunden ist.
Vorrichtung zum optischen Lesen gemäß mindestens zwei unterschiedlichen Wellenlängen von digitalen Daten, die auf einem Träger wie einer optischen Disk gespeichert sind, mit einer Vorrichtung zum optischen Schalten der Strahlung zum Lesen der Daten nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Lesen gemäß den unterschiedlichen Wellenlängen, bei der die Eingangsenden der Plasmonleiter von der Lesestrahlung gleichzeitig beleuchtet werden können.