Измерение оптических потерь и дисперсии волноводных мод в геометрии критического эванесцентного возбуждения

Поверхностные волны, такие как плазмонные, экситонные или фононные поляритоны, а также волноводные моды, поддерживаемые различными планарными структурами, привлекают особое внимание из-за их способности переносить оптические сигналы в двумерных и одномерных системах. Важной характеристикой таких волн является их дисперсия $\omega(k_x,k_y)$, которой можно управлять путем наноструктурирования плоских слоистых систем для получения фотонно-кристаллических волноводов и метаповерхностей. Путем подбора закона дисперсии поверхностных волн можно реализовать такие уникальные оптические явления, как переход от режима положительного преломления к отрицательному или от эллиптической дисперсии к гиперболической, а также самофокусировка и бездифракционное распространение поверхностных волн. Наряду с вещественной частью волнового вектора, отвечающей за фазу распространяющейся поверхностной волны, критически важным параметром с прикладной точки зрения является длина ее распространения, которая связана с собственными потерями моды. Мы предлагаем экспериментальный подход, позволяющий измерить полную комплексную дисперсию оптических поверхностных волн и волноводных мод. Метод основан на спектроскопии нарушенного полного внутреннего отражения с угловым разрешением. В такой конфигурации эксперимента варьирование воздушного зазора между образцом и линзой твердой иммерсии позволяет плавно управлять величиной связи между поверхностными волнами и модами свободного пространства. На примере планарного кремниевого волновода мы идентифицируем в эксперименте режим критической связи света с волноводной модой, определяем собственные потери моды и, соответственно, длину ее распространения в широком спектральном диапазоне. Наш подход представляет собой мощный инструмент для исследования оптических и поляритонных поверхностных волн различных типов и может найти свое применение в разработке оптоэлектронных и нанофотонных устройств на чипе.