Отримано 15.04.2025, Доопрацьовано 11.07.2025, Прийнято 28.08.2025

Чисельне моделювання поширення поверхневих плазмонів у наноструктурованих оптичних хвилеводах інформаційно-комунікаційних мереж

Олег Мельничок, Роман Зайвий

Метою дослідження було визначити оптимальні конфігурації хвилеводів з погляду локалізації електромагнітного поля, довжини поширення та мінімізації втрат. Методологія включала дво- та тривимірне моделювання в середовищі Lumerical Finite-Difference Time-Domain Solutions із просторовою дискретизацією 2 нм, використанням граничних умов Perfectly Matched Layer та варіюванням параметрів металевого шару (Ag, Au, Al), типу підкладки та геометрії хвилеводу. Джерелом збурення слугували ґаусові імпульси з довжинами хвиль 1310 і 1550 нм. Результати показали, що V-подібні та ребристі хвилеводи з покриттям зі срібла або золота забезпечували найкращу локалізацію плазмонів і мінімальні втрати. Максимальна інтенсивність електричного поля досягала 1,78 × 106 В/м у V-подібних хвилеводах із золотом завтовшки 100 нм при ширині локалізації менше 100 нм. Ребристі срібні структури з товщиною 60 нм демонстрували хорошу локалізацію та низькі втрати (0,32 дБ/мкм). Найбільша довжина поширення LSPP (28,3 мкм) виявлена у конфігурації Ag/сапфір при neff 1,87–1,91. Моделювання методом Монте-Карло (1000 ітерацій) засвідчило високу стійкість зазначених структур до геометричних флуктуацій (σ < 0,035 дБ/мкм при ± 5 %). Експериментальна верифікація підтвердила відхилення менше 8 %. Отримані дані свідчать, що асиметричні хвилеводи з благородних металів за оптимальної товщини (40–60 нм) забезпечують стабільне поширення плазмонів з мінімальними втратами. Практична значимість результатів полягає в можливості використання запропонованих конфігурацій в оптичних інтерфейсах, фотонних інтегральних схемах і модулях високошвидкісного зв’язку, що розробляються в лабораторіях нанофотоніки та в компаніях телекомунікаційного профілю

поглинання плазмонів; благородні метали; оптичні втрати; субхвильові структури; метод Монте-Карло; нанофотоніка; електромагнітне збурення
74-84
Melnychok, O., & Zaivyi, R. (2025). Numerical modelling of surface plasmons propagation in nanostructured optical waveguides of information and communication networks. Information Technologies and Computer Engineering, 22(2), 74-84. https://doi.org/10.31649/vitce/2.2025.74

Використані джерела

[1] Abe, K., Higashimori, N., Kubo, M., Fujiwara, H., & Iso, Y. (2014). A remark on the Courant-Friedrichs-Lewy condition in finite difference approach to PDEs. Advances in Applied Mathematics and Mechanics, 6(5), 693-698. doi: 10.4208/ aamm.2014.5.s6.

[2] Andriychuk, M., Bolesta, I., & Demchuk, A. (2021). Investigation of radiation properties of nanoparticles by analytical-numerical approach. In Proceedings of the 26th international seminar/workshop on direct and inverse problems of electromagnetic and acoustic wave theory (pp. 51-56). Tbilisi: IEEE. doi: 10.1109/DIPED53165.2021.9552326.

[3] Din, R., Ali, H., & Ahmad, R. (2024). Manipulation of surface plasmon-polaritons in nanocomposite-metalnanocomposite waveguide. Physics Letters A, 532, article number 130202. doi: 10.1016/j.physleta.2024.130202.

[4] Dong, S., Zhang, Q., Cao, G., Ni, J., Shi, T., Li, S., Duan, J., Wang, J., Li, Y., Sun, S., Zhou, L., Hu, G., & Qiu, C. (2020). On-chip trans-dimensional plasmonic router. Nanophotonics, 9(10), 3357-3365. doi: 10.1515/nanoph-2020-0078.

[5] Gao, X., Ma, Q., Gu, Z., Cui, W., Liu, C., Zhang, J., & Cui, T. (2023). Programmable surface plasmonic neural networks for microwave detection and processing. Nature Electronics, 6, 319-328. doi: 10.1038/s41928-023-00951-x.

[6] Gorbov, I., Korposh, S., Lapchuk, A., Lee, S.-W., & Erdody, S. (2025). Optimizing LSPR-based optical fibre refractive index sensor based on solid and hollow gold nanospheres. Sensors and Actuators A: Physical, 388, article number 116473. doi: 10.1016/j.sna.2025.116473.

[7] Gupta, R., Barman, K., Lee, L., Chauhan, A., & Huang, J. (2024). Surface acoustic wave actuated plasmonic signal amplification in a plasmonic waveguide. Discover Nano, 19, article number 10. doi: 10.1186/s11671-023-03951-0.

[8] Han, Z., Li, D., Ding, W., & Tan, C. (2024). Lossless and stable propagation of surface plasmon polaritons in quasi-P T potential. Optics Letters, 49(21), 6289-6292. doi: 10.1364/ol.538062.

[9] He, Y., et al. (2021). Manipulation of ultrafast nonlinear optical response based on surface plasmon resonance. Advanced Optical Materials, 9(19), article number 2100847. doi: 10.1002/adom.202100847.

[10] Huang, C., Chang, R., & Huang, C. (2021). Nanostructured hybrid plasmonic waveguide in a slot structure for high-performance light transmission. Optics Express, 29(18), 29341-29356. doi: 10.1364/oe.438771.

[11] Idrees, M., & Li, H. (2024). Superluminal propagation of surface plasmon polaritons via hybrid chiral quantum dots system. New Journal of Physics, 26, article number 053035. doi: 10.1088/1367-2630/ad44d0.

[12] Illyashenko, L. (2024). Spectral boundary integral equation methods for electromagnetic research with different geometrical configurations. In Proceedings of the 29th international seminar/workshop on direct and inverse problems of electromagnetic and acoustic wave theory (pp. 40-45). Tbilisi: IEEE. doi: 10.1109/DIPED63529.2024.10706201.

[13] Kakepoto, F., Huang, S., & Idrees, M. (2024). Superluminal propagation of birefringence modes in surface plasmon polaritons through hybrid metallic nanoparticles and chiral systems. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 165, article number 116106. doi: 10.1016/j.physe.2024.116106.

[14] Kim, D., Park, Y., Park, J., Nguyen, D., Yoo, H., Kim, S., & Kim, Y. (2024). Quantitative measurement of spatial distribution of effective refractive index induced by local electron concentration at a nano slit. Nanophotonics, 13(19), 3699-3708. doi: 10.1515/nanoph-2024-0179.

[15] Kim, G., & Lee, M. (2021). Suppressed transmission of long-range surface plasmon polariton by TE-induced edge plasmon. Micromachines, 12(10), article number 1198. doi: 10.3390/mi12101198.

[16] Li, Y., et al. (2022). Nonlinear co-generation of graphene plasmons for optoelectronic logic operations. Nature Communications, 13, article number 3138. doi: 10.1038/s41467-022-30901-8.

[17] Liaw, J., Mao, S., Luo, J., Ku, Y., & Kuo, M. (2021). Surface plasmon polaritons of higher-order mode and standing waves in metallic nanowires. Optics Express, 29(12), 18876-18888. doi: 10.1364/OE.425958.

[18] Long, Y., Li, H., Du, Z., Geng, M., & Liu, Z. (2020). Confined Gaussian-distributed electromagnetic field of tin(II) chloride-sensitized surface-enhanced Raman scattering (SERS) optical fiber probe: From localized surface plasmon resonance (LSPR) to waveguide propagation. Journal of Colloid and Interface Science, 581, 698-708. doi: 10.1016/j. jcis.2020.07.126.

[19] Maleki, M., & Soroosh, M. (2023). A low-loss subwavelength plasmonic waveguide for surface plasmon polariton transmission in optical circuits. Optical and Quantum Electronics, 55, article number 1266. doi: 10.1007/s11082-023-05603-0.

[20] hi, J., Guo, Q., Shi, Z., Zhang, S., & Xu, H. (2021). Nonlinear nanophotonics based on surface plasmon polaritons. Applied Physics Letters, 119, article number 130501. doi: 10.1063/5.0061726.

[21] Shneen, W., & Ameen, S. (2024). Controllable surface plasmon polariton propagation length using a suitable quantum dot material. Brazilian Journal of Physics, 54, article number 59. doi: 10.1007/s13538-024-01425-x.

[22] Shukla, S., Venkatesh, V., & Arora, P. (2020). Highly sensitive self-referenced plasmonic devices based on engineered periodic nanostructures for sensing in the communication band. Optical Engineering, 59(6), article number 65101. doi: 10.1117/1.oe.59.6.065101.

[23] Singh, L., Iadicicco, A., Agrawal, N., Saha, C., & Chauhan, R. (2022). A compact formulation of all optical signal router by using plasmonic waveguides. Optical and Quantum Electronics, 54, article number 478. doi: 10.1007/s11082-02203878-3.

[24] Téllez-Limón, R., Blaize, S., Gardillou, F., Coello, V., & Salas-Montiel, R. (2020). Excitation of surface plasmon polaritons in a gold nanoslab on ion-exchanged waveguide technology. Applied Optics, 59(2), 572-578. doi: 10.1364/ ao.381915.

[25] Verma, S., Pathak, A., & Rahman, B. (2024). Review of biosensors based on plasmonic-enhanced processes in the metallic and meta-material-supported nanostructures. Micromachines, 15(4), article number 502. doi: 10.3390/ mi15040502.

[26] Wang, J., Gao, M., He, Y., & Yang, Z. (2022). Ultrasensitive and ultrafast nonlinear optical characterization of surface plasmons. APL Materials, 10, article number 030701. doi: 10.1063/5.0083239.

[27] Wang, L., Geng, Y., Zhang, S., Liang, J., Xu, S., & Liu, Y. (2023). Propagating and localized surface plasmon co-enhanced Raman scattering based on a waveguide coupling surface plasmon resonance structure. Journal of Physical Chemistry C, 127(8), 4188-4194. doi: 10.1021/acs.jpcc.2c07801.

[28] Wei, H., Yan, X., Niu, Y., Li, Q., Jia, Z., & Xu, H. (2021). Plasmon-exciton interactions: Spontaneous emission and strong coupling. Advanced Functional Materials, 31(51), article number 2100889. doi: 10.1002/adfm.202100889.

[29] Yan, P., Fu, T., & Wang, W. (2025). Reduced loss of plasmon propagation along parallel silver nanowires. Nano Energy, 135, article number 110668. doi: 10.1016/j.nanoen.2025.110668.

[30] Yang, C., Wu, Y., Zhong, C., Wang, X., Li, L., Guo, J., Huang, W., & Liu, Y. (2025). Compact and voltage-tunable surface plasmon polariton-based optical neural networks. Optics Letters, 50(4), 1109-1112. doi: 10.1364/ol.546561.

[31] Yu, L., Liu, J., & Xue, W. (2024). Surface plasmon waveguide based on nested dielectric parallel nanowire pairs coated with graphene. Photonics, 11(5), article number 441. doi: 10.3390/photonics11050441.