The Journal of the Institute of Internet, Broadcasting and Communication
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v.15
no.4
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pp.217-222
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2015
Longitudinal transmission-line modal theory is applied to analyze the guiding mode characteristics along 1D & 2D grating patterns of plasmonic grating-assisted directional couplers (P-GADC) based on silicon waveguide. By defining supermodes amenable to rigorous analytical solutions and interference between even and odd modes, the field distributions of TE modes for each grating patterns are evaluated. The numerical result reveals that the field distribution with maximum coupling efficiency occurs at P-GADC composed by square grating pattern. That is, it reveals at a minium gap condition of grating period $d_{min}=8.8{\mu}m$ different from conventional phase-matching condition of GADC.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2015.08a
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pp.75-75
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2015
Strong interactions between electromagnetic radiation and electrons at metallic interfaces or in metallic nanostructures lead to resonant oscillations called surface plasmon resonance with fascinating properties: light confinement in subwavelength dimensions and enhancement of optical near fields, just to name a few [1,2]. By utilizing the properties enabled by geometry dependent localization of surface plasmons, metal photonics or plasmonics offers a promise of enabling novel photonic components and systems for integrated photonics or sensing applications [3-5]. The versatility of the nanoplasmonic platform is described in this talk on three folds: our findings on an enhanced ultracompact photodetector based on nanoridge plasmonics for photonic integrated circuit applications [3], a colorimetric sensing of miRNA based on a nanoplasmonic core-satellite assembly for label-free and on-chip sensing applications [4], and a controlled fabrication of plasmonic nanostructures on a flexible substrate based on a transfer printing process for ultra-sensitive and noise free flexible bio-sensing applications [5]. For integrated photonics, nanoplasmonics offers interesting opportunities providing the material and dimensional compatibility with ultra-small silicon electronics and the integrative functionality using hybrid photonic and electronic nanostructures. For sensing applications, remarkable changes in scattering colors stemming from a plasmonic coupling effect of gold nanoplasmonic particles have been utilized to demonstrate a detection of microRNAs at the femtomolar level with selectivity. As top-down or bottom-up fabrication of such nanoscale structures is limited to more conventional substrates, we have approached the controlled fabrication of highly ordered nanostructures using a transfer printing of pre-functionalized nanodisks on flexible substrates for more enabling applications of nanoplasmonics.
A significant enhancement of the magneto-optical Faraday rotation and extraordinary optical transmission (EOT) in the cascaded double-fishnet (CDF) structure with periodic rectangular apertures is theoretically predicted by using the extended finite difference time domain (FDTD) method. The results demonstrate that the transmittance spectrum of the CDF structure has two EOT resonant peaks in a broad spectrum spanning visible to near-infrared wavebands, one of them coinciding with the enhanced Faraday rotation and large figure of merit (FOM) at the same wavelength. It is most important that the resonant position and intensity of the transmittance, Faraday rotation and FOM can be simply tailored by adjusting the incident wavelength, the thickness of the magnetic layer, and the offset between two metallic rectangular apertures, etc. Furthermore, the intrinsic physical mechanism of the resonance characteristics of the transmittance and Faraday rotation is thoroughly studied by investigating the electromagnetic field distributions at the location of resonance. It is shown that the transmittance resonance is mainly determined by different hybrid modes of surface plasmons (SPs) and plasmonic electromagnetically induced transparency (EIT) behavior, and the enhancement of Faraday rotation is mostly governed by the plasmonic electromagnetically induced absorption (EIA) behavior and the conversion of the transverse magnetic (TM) mode and transverse electric (TE) mode in the magnetic dielectric layer.
Jung, Kyung-Young;Yoon, Woo-Jun;Park, Yong Bae;Berger, Paul R.;Teixeira, Fernando L.
ETRI Journal
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v.36
no.4
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pp.654-661
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2014
We develop accurate finite-difference time-domain (FDTD) modeling of polymer bulk heterojunction solar cells containing Ag nanoparticles between the hole-transporting layer and the transparent conducting oxide-coated glass substrate in the wavelength range of 300 nm to 800 nm. The Drude dispersion modeling technique is used to model the frequency dispersion behavior of Ag nanoparticles, the hole-transporting layer, and indium tin oxide. The perfectly matched layer boundary condition is used for the top and bottom regions of the computational domain, and the periodic boundary condition is used for the lateral regions of the same domain. The developed FDTD modeling is employed to investigate the effect of geometrical parameters of Ag nanospheres on electromagnetic fields in devices. Although negative plasmonic effects are observed in the considered device, absorption enhancement can be achieved when favorable geometrical parameters are obtained.
We numerically demonstrate the performance of a plasmonic lens composed of an array of nanoslits perforated on thin metallic film with slanted cuts on the output surface. Embedding Kerr nonlinear material in nanoslits is employed to modulate the output beam. A two dimensional nonlinear-dispersive finite-difference time-domain (2D N-D-FDTD) method is utilized. The performance parameters of the proposed lens such as focal length, full-width half-maximum, depth of focus and the efficiency of focusing are investigated. The structure is illuminated by a TM-polarized plane wave and a Gaussian beam. The effect of the beam waist of the Gaussian beam and the incident light intensity on the focusing effect is explored. An exact formula is proposed to derive electric field E from electric flux density D in a Kerr-Dispersive medium. Surface plasmon (SPs) modes and Fabry-Perot (F-P) resonances are used to explain the physical origin of the light focusing phenomenon. Focused ion beam milling can be implemented to fabricate the proposed lens. It can find valuable potential applications in integrated optics and for tuning purposes.
Metallic nanostructures have great potential for bio-chemical sensor applications due to the excitation of localized surface plasmon and its sensitive response to environmental change. Unlike the commonly explored absorption-based sensing, the optical scattering provides single particle detection scheme. For the localized surface plasmon resonance spectroscopy, the metallic nanostructures with controlled shape and size have been usually fabricated on adhesion-layer pre-coated transparent glass substrates. In this study, we calculated the optical scattering properties of plasmonic Au nanodisc using a discrete dipole approximation method and analyzed the effect of adhesion layer on them. Our result also indicates that there is a trade-off between the surface plasmon damping and the capability of supporting nanostructures in determining the optimal thickness of adhesion layer. Marginal thickness of Ti adhesion layer for supporting Au nanostructures fabricated on a silica glass substrate was experimentally analyzed by an adhesion strength test using a nano-indentation technique.
Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2014.02a
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pp.493-493
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2014
The manufacturing cost of thin-film photovoltics can potentially be lowered by minimizing the amount of a semiconductor material used to fabricate devices. Thin-film solar cells are typically only a few micrometers thick, whereas crystalline silicon (c-Si) wafer solar cells are $180{\sim}300\mu}m$ thick. As such, thin-film layers do not fully absorb incident light and their energy conversion efficiency is lower compared with that of c-Si wafer solar cells. Therefore, effective light trapping is required to realize commercially viable thin-film cells, particularly for indirect-band-gap semiconductors such as c-Si. An emerging method for light trapping in thin film solar cells is the use of metallic nanostructures that support surface plasmons. Plasmon-enhanced light absorption is shown to increase the cell photocurrent in many types of solar cells, specifically, in c-Si thin-film solar cells and in poly-Si thin film solar cell. By proper engineering of these structures, light can be concentrated and coupled into a thin semiconductor layer to increase light absorption. In many cases, silver (Ag) nanoparticles (NP) are formed either on the front surface or on the rear surface on the cells. In case of poly-Si thin film solar cells, Ag NPs are formed on the rear surface of the cells due to longer wavelengths are not perfectly absorbed in the active layer on the first path. In our cells, shorter wavelengths typically 300~500 nm are also not effectively absorbed. For this reason, a new concept of plasmonic nanostructure which is NPs formed both the front - and the rear - surface is worth testing. In this simulation Al NPs were located onto glass because Al has much lower parasitic absorption than other metal NPs. In case of Ag NP, it features parasitic absorption in the optical frequency range. On the other hand, Al NP, which is non-resonant metal NP, is characterized with a higher density of conduction electrons, resulting in highly negative dielectric permittivity. It makes them more suitable for the forward scattering configuration. In addition to this, Ag NP is located on the rear surface of the cell. Ag NPs showed good performance enhancement when they are located on the rear surface of our cells. In this simulation, Al NPs are located on glass and Ag NP is located on the rear Si surface. The structure for the simulation is shown in figure 1. Figure 2 shows FDTD-simulated absorption graphs of the proposed and reference structures. In the simulation, the front of the cell has Al NPs with 70 nm radius and 12.5% coverage; and the rear of the cell has Ag NPs with 157 nm in radius and 41.5% coverage. Such a structure shows better light absorption in 300~550 nm than that of the reference cell without any NPs and the structure with Ag NP on rear only. Therefore, it can be expected that enhanced light absorption of the structure with Al NP on front at 300~550 nm can contribute to the photocurrent enhancement.
In this study we propose a hybrid color-filter design method in which a nanohole array and a nanodisk array are separated by nanopillars of the material AZ 1500. We propose a design method for an RGB color filter, using the tendency of transmitted light according to each design variable. Especially we analyzed the intensity distribution of the electric field in the cross section, and set the height of the nanopillars so that the local surface-plasmon resonances generated in the two different arrays do not affect each other. The optical characteristics of the optimized color filter are as follows: In the case of the red filter, the ratio of the wavelength band expressing red in the visible broadband is 55.01%, and the maximum transmittance is 41.53%. In the case of the green filter, the ratio of the wavelength band expressing green is 40.20%, and the maximum transmittance is 42.41%. In the case of the blue filter, the ratio of the wavelength band expressing blue is 32.78%, and the maximum transmittance is 30.27%. We expect to improve the characteristics of color filters integrated in industrial devices by this study.
Proceedings of the Korean Society of Laser Processing Conference
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2005.06a
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pp.102-103
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2005
Using THz time-domain spectroscopy, we study plasmonic band gaps in periodic metal arrays of slits. Femtosecnd machining system guarantees good quality sub millimeter structures for THz spectroscopy. Fabry-Perot effect enhances the transmission when the two resonances cross but does not alter the surface plasmon peak positions.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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