Abstract

A mode division multiplexer (MDM) based on in-plane diffractions is experimentally demonstrated in a polymer-loaded plasmonic planar waveguide. Three guided modes (TM1, TE1, and TM2) were well demultiplexed by a focusing design with a focal length of about 40 μm, which are clearly distinguished by the polarization control. The experimental results well reproduced the theoretical design and calculation. Moreover, the demultiplexed focal spots directly reflect the different modes, by which a mode diagram of the dielectric-loaded planar waveguide was vividly mapped out by varying the polymer layer thickness. In this regard, the proposed device may not only serve as a MDM for the integrated optics but can also provide a new strategy in analyzing the guided modes.

© 2014 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. H. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, and M. L. Brongersma, Nat. Mater. 9, 193 (2010).
    [CrossRef]
  2. T. Holmgaard and S. I. Bozhevolnyi, Phys. Rev. B 77, 115403 (2008).
    [CrossRef]
  3. D. G. Zhang, X.-C. Yuan, A. Bouhelier, P. Wang, and H. Ming, Opt. Lett. 35, 408 (2010).
    [CrossRef]
  4. Z. Chen, T. Holmgaard, S. I. Bozhevolnyi, A. V. Krasavin, A. V. Zayats, L. Markey, and A. Dereux, Opt. Lett. 34, 310 (2009).
    [CrossRef]
  5. D. G. Zhang, Q. Fu, X. X. Wang, Y. K. Chen, P. Wang, and H. Ming, J. Opt. 14, 015003 (2012).
    [CrossRef]
  6. R. F. Oulton, V. J. Sorger, D. A. Genov, D. F. P. Pile, and X. Zhang, Nat. Photonics 2, 496 (2008).
    [CrossRef]
  7. F. F. Lu, T. Li, X. P. Hu, Q. Q. Cheng, S. N. Zhu, and Y. Y. Zhu, Opt. Lett. 36, 3371 (2011).
    [CrossRef]
  8. J. Lowery and J. Armstrong, Opt. Express 13, 10003 (2005).
    [CrossRef]
  9. Q. Q. Cheng, T. Li, R. Y. Guo, L. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Appl. Phys. Lett. 101, 171116 (2012).
    [CrossRef]
  10. H. Ma, A. K.-Y. Jen, and L. R. Dalton, Adv. Mater. 14, 1339 (2002).
    [CrossRef]
  11. L. Li, T. Li, S. M. Wang, C. Zhang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 107, 126804 (2011).
    [CrossRef]
  12. L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Opt. Lett. 37, 5091 (2012).
    [CrossRef]
  13. L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 110, 046807 (2013).
    [CrossRef]
  14. L. Li, T. Li, S. M. Wang, S. N. Zhu, and X. Zhang, Nano Lett. 11, 4357 (2011).
    [CrossRef]
  15. C. L. Zhao and J. S. Zhang, ACS Nano 4, 6433 (2010).
    [CrossRef]
  16. Z. W. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang, Nano Lett. 5, 1726 (2005).
    [CrossRef]
  17. C. L. Zhao and J. S. Zhang, Opt. Lett. 34, 2417 (2009).
    [CrossRef]

2013 (1)

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 110, 046807 (2013).
[CrossRef]

2012 (3)

D. G. Zhang, Q. Fu, X. X. Wang, Y. K. Chen, P. Wang, and H. Ming, J. Opt. 14, 015003 (2012).
[CrossRef]

Q. Q. Cheng, T. Li, R. Y. Guo, L. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Appl. Phys. Lett. 101, 171116 (2012).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Opt. Lett. 37, 5091 (2012).
[CrossRef]

2011 (3)

F. F. Lu, T. Li, X. P. Hu, Q. Q. Cheng, S. N. Zhu, and Y. Y. Zhu, Opt. Lett. 36, 3371 (2011).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, C. Zhang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 107, 126804 (2011).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, S. N. Zhu, and X. Zhang, Nano Lett. 11, 4357 (2011).
[CrossRef]

2010 (3)

C. L. Zhao and J. S. Zhang, ACS Nano 4, 6433 (2010).
[CrossRef]

J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. H. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, and M. L. Brongersma, Nat. Mater. 9, 193 (2010).
[CrossRef]

D. G. Zhang, X.-C. Yuan, A. Bouhelier, P. Wang, and H. Ming, Opt. Lett. 35, 408 (2010).
[CrossRef]

2009 (2)

2008 (2)

T. Holmgaard and S. I. Bozhevolnyi, Phys. Rev. B 77, 115403 (2008).
[CrossRef]

R. F. Oulton, V. J. Sorger, D. A. Genov, D. F. P. Pile, and X. Zhang, Nat. Photonics 2, 496 (2008).
[CrossRef]

2005 (2)

Z. W. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang, Nano Lett. 5, 1726 (2005).
[CrossRef]

J. Lowery and J. Armstrong, Opt. Express 13, 10003 (2005).
[CrossRef]

2002 (1)

H. Ma, A. K.-Y. Jen, and L. R. Dalton, Adv. Mater. 14, 1339 (2002).
[CrossRef]

Armstrong, J.

Barnard, E. S.

J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. H. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, and M. L. Brongersma, Nat. Mater. 9, 193 (2010).
[CrossRef]

Bouhelier, A.

Bozhevolnyi, S. I.

Brongersma, M. L.

J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. H. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, and M. L. Brongersma, Nat. Mater. 9, 193 (2010).
[CrossRef]

Cai, W. H.

J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. H. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, and M. L. Brongersma, Nat. Mater. 9, 193 (2010).
[CrossRef]

Chen, Y. K.

D. G. Zhang, Q. Fu, X. X. Wang, Y. K. Chen, P. Wang, and H. Ming, J. Opt. 14, 015003 (2012).
[CrossRef]

Chen, Z.

Cheng, Q. Q.

Q. Q. Cheng, T. Li, R. Y. Guo, L. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Appl. Phys. Lett. 101, 171116 (2012).
[CrossRef]

F. F. Lu, T. Li, X. P. Hu, Q. Q. Cheng, S. N. Zhu, and Y. Y. Zhu, Opt. Lett. 36, 3371 (2011).
[CrossRef]

Dalton, L. R.

H. Ma, A. K.-Y. Jen, and L. R. Dalton, Adv. Mater. 14, 1339 (2002).
[CrossRef]

Dereux, A.

Fu, Q.

D. G. Zhang, Q. Fu, X. X. Wang, Y. K. Chen, P. Wang, and H. Ming, J. Opt. 14, 015003 (2012).
[CrossRef]

Genov, D. A.

R. F. Oulton, V. J. Sorger, D. A. Genov, D. F. P. Pile, and X. Zhang, Nat. Photonics 2, 496 (2008).
[CrossRef]

Guo, R. Y.

Q. Q. Cheng, T. Li, R. Y. Guo, L. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Appl. Phys. Lett. 101, 171116 (2012).
[CrossRef]

Holmgaard, T.

Hu, X. P.

Jen, A. K.-Y.

H. Ma, A. K.-Y. Jen, and L. R. Dalton, Adv. Mater. 14, 1339 (2002).
[CrossRef]

Jun, Y. C.

J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. H. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, and M. L. Brongersma, Nat. Mater. 9, 193 (2010).
[CrossRef]

Krasavin, A. V.

Li, L.

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 110, 046807 (2013).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Opt. Lett. 37, 5091 (2012).
[CrossRef]

Q. Q. Cheng, T. Li, R. Y. Guo, L. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Appl. Phys. Lett. 101, 171116 (2012).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, C. Zhang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 107, 126804 (2011).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, S. N. Zhu, and X. Zhang, Nano Lett. 11, 4357 (2011).
[CrossRef]

Li, T.

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 110, 046807 (2013).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Opt. Lett. 37, 5091 (2012).
[CrossRef]

Q. Q. Cheng, T. Li, R. Y. Guo, L. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Appl. Phys. Lett. 101, 171116 (2012).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, S. N. Zhu, and X. Zhang, Nano Lett. 11, 4357 (2011).
[CrossRef]

F. F. Lu, T. Li, X. P. Hu, Q. Q. Cheng, S. N. Zhu, and Y. Y. Zhu, Opt. Lett. 36, 3371 (2011).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, C. Zhang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 107, 126804 (2011).
[CrossRef]

Liu, Z. W.

Z. W. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang, Nano Lett. 5, 1726 (2005).
[CrossRef]

Lowery, J.

Lu, F. F.

Ma, H.

H. Ma, A. K.-Y. Jen, and L. R. Dalton, Adv. Mater. 14, 1339 (2002).
[CrossRef]

Markey, L.

Ming, H.

D. G. Zhang, Q. Fu, X. X. Wang, Y. K. Chen, P. Wang, and H. Ming, J. Opt. 14, 015003 (2012).
[CrossRef]

D. G. Zhang, X.-C. Yuan, A. Bouhelier, P. Wang, and H. Ming, Opt. Lett. 35, 408 (2010).
[CrossRef]

Oulton, R. F.

R. F. Oulton, V. J. Sorger, D. A. Genov, D. F. P. Pile, and X. Zhang, Nat. Photonics 2, 496 (2008).
[CrossRef]

Pikus, Y.

Z. W. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang, Nano Lett. 5, 1726 (2005).
[CrossRef]

Pile, D. F. P.

R. F. Oulton, V. J. Sorger, D. A. Genov, D. F. P. Pile, and X. Zhang, Nat. Photonics 2, 496 (2008).
[CrossRef]

Schuller, J. A.

J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. H. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, and M. L. Brongersma, Nat. Mater. 9, 193 (2010).
[CrossRef]

Sorger, V. J.

R. F. Oulton, V. J. Sorger, D. A. Genov, D. F. P. Pile, and X. Zhang, Nat. Photonics 2, 496 (2008).
[CrossRef]

Srituravanich, W.

Z. W. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang, Nano Lett. 5, 1726 (2005).
[CrossRef]

Steele, J. M.

Z. W. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang, Nano Lett. 5, 1726 (2005).
[CrossRef]

Sun, C.

Z. W. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang, Nano Lett. 5, 1726 (2005).
[CrossRef]

Wang, P.

D. G. Zhang, Q. Fu, X. X. Wang, Y. K. Chen, P. Wang, and H. Ming, J. Opt. 14, 015003 (2012).
[CrossRef]

D. G. Zhang, X.-C. Yuan, A. Bouhelier, P. Wang, and H. Ming, Opt. Lett. 35, 408 (2010).
[CrossRef]

Wang, S. M.

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 110, 046807 (2013).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Opt. Lett. 37, 5091 (2012).
[CrossRef]

Q. Q. Cheng, T. Li, R. Y. Guo, L. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Appl. Phys. Lett. 101, 171116 (2012).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, C. Zhang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 107, 126804 (2011).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, S. N. Zhu, and X. Zhang, Nano Lett. 11, 4357 (2011).
[CrossRef]

Wang, X. X.

D. G. Zhang, Q. Fu, X. X. Wang, Y. K. Chen, P. Wang, and H. Ming, J. Opt. 14, 015003 (2012).
[CrossRef]

White, J. S.

J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. H. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, and M. L. Brongersma, Nat. Mater. 9, 193 (2010).
[CrossRef]

Yuan, X.-C.

Zayats, A. V.

Zhang, C.

L. Li, T. Li, S. M. Wang, C. Zhang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 107, 126804 (2011).
[CrossRef]

Zhang, D. G.

D. G. Zhang, Q. Fu, X. X. Wang, Y. K. Chen, P. Wang, and H. Ming, J. Opt. 14, 015003 (2012).
[CrossRef]

D. G. Zhang, X.-C. Yuan, A. Bouhelier, P. Wang, and H. Ming, Opt. Lett. 35, 408 (2010).
[CrossRef]

Zhang, J. S.

C. L. Zhao and J. S. Zhang, ACS Nano 4, 6433 (2010).
[CrossRef]

C. L. Zhao and J. S. Zhang, Opt. Lett. 34, 2417 (2009).
[CrossRef]

Zhang, X.

L. Li, T. Li, S. M. Wang, S. N. Zhu, and X. Zhang, Nano Lett. 11, 4357 (2011).
[CrossRef]

R. F. Oulton, V. J. Sorger, D. A. Genov, D. F. P. Pile, and X. Zhang, Nat. Photonics 2, 496 (2008).
[CrossRef]

Z. W. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang, Nano Lett. 5, 1726 (2005).
[CrossRef]

Zhao, C. L.

C. L. Zhao and J. S. Zhang, ACS Nano 4, 6433 (2010).
[CrossRef]

C. L. Zhao and J. S. Zhang, Opt. Lett. 34, 2417 (2009).
[CrossRef]

Zhu, S. N.

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 110, 046807 (2013).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Opt. Lett. 37, 5091 (2012).
[CrossRef]

Q. Q. Cheng, T. Li, R. Y. Guo, L. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Appl. Phys. Lett. 101, 171116 (2012).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, S. N. Zhu, and X. Zhang, Nano Lett. 11, 4357 (2011).
[CrossRef]

F. F. Lu, T. Li, X. P. Hu, Q. Q. Cheng, S. N. Zhu, and Y. Y. Zhu, Opt. Lett. 36, 3371 (2011).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, C. Zhang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 107, 126804 (2011).
[CrossRef]

Zhu, Y. Y.

ACS Nano (1)

C. L. Zhao and J. S. Zhang, ACS Nano 4, 6433 (2010).
[CrossRef]

Adv. Mater. (1)

H. Ma, A. K.-Y. Jen, and L. R. Dalton, Adv. Mater. 14, 1339 (2002).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

Q. Q. Cheng, T. Li, R. Y. Guo, L. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Appl. Phys. Lett. 101, 171116 (2012).
[CrossRef]

J. Opt. (1)

D. G. Zhang, Q. Fu, X. X. Wang, Y. K. Chen, P. Wang, and H. Ming, J. Opt. 14, 015003 (2012).
[CrossRef]

Nano Lett. (2)

L. Li, T. Li, S. M. Wang, S. N. Zhu, and X. Zhang, Nano Lett. 11, 4357 (2011).
[CrossRef]

Z. W. Liu, J. M. Steele, W. Srituravanich, Y. Pikus, C. Sun, and X. Zhang, Nano Lett. 5, 1726 (2005).
[CrossRef]

Nat. Mater. (1)

J. A. Schuller, E. S. Barnard, W. H. Cai, Y. C. Jun, J. S. White, and M. L. Brongersma, Nat. Mater. 9, 193 (2010).
[CrossRef]

Nat. Photonics (1)

R. F. Oulton, V. J. Sorger, D. A. Genov, D. F. P. Pile, and X. Zhang, Nat. Photonics 2, 496 (2008).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (5)

Phys. Rev. B (1)

T. Holmgaard and S. I. Bozhevolnyi, Phys. Rev. B 77, 115403 (2008).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (2)

L. Li, T. Li, S. M. Wang, C. Zhang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 107, 126804 (2011).
[CrossRef]

L. Li, T. Li, S. M. Wang, and S. N. Zhu, Phys. Rev. Lett. 110, 046807 (2013).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

Schematic of the MDM in a polymer-loaded plasmonic planar waveguide, where the horizontal grating is used for mode coupling from external incidence, the nanohole array drilled in the metal layer is for focusing the guided modes, and the slits on the right are out-coupler.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Lattice parameter (az) of the nonperiodic array, where the inset is the SEM image of the hole array sample before being covered by the polymer. (b) Calculated phase distribution (symbols) of the guided modes with respect to the fitted parabolic curves, where the arrows indicate the symmetry centers.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Calculated field distribution of three guided modes by Huygens–Fresnel integration, in which a vertical dashed line indicates the focusing distance as designed. (b) Experimental result of the focusing and demultiplexing process that was recorded by the microscopy objective. (c) Comparison of the experimental and theoretical calculations for the focused modes. (d) Polarization-tuned focusing results with good distinguished TE and TM modes (scale bar=5μm).

Fig. 4.
Fig. 4.

Mode map retrieved from the calculated field distributions on the focal line for various polymer thicknesses, which are compared with the analytically calculated mode curves from TM0 to TM4.

Equations (2)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

φm(z)=φ0+kWGz2mπ,
ψ(z)=kWGz2/2f,

Metrics