Передача дихроичного оптического диода в двух смещенных параллельных металлических решетках

Введение

Оптический диод, который пропускает фотоны в одном направлении и запрещает прохождение в обратном направлении, привлек значительное внимание благодаря свойству однонаправленного пропускания [1]. Явления в оптических диодах могут наблюдаться при нарушении симметрии взаимодействия света с веществом относительно обращения времени. Для достижения эффекта оптического диода можно применять внешнее магнитное поле [2], напряжение смещения [3], акустическую волну [4] или модуляцию, зависящую от времени [5, 6]. Кроме того, альтернативным выбором являются структуры с нарушением симметрии пространственной инверсии, такие как асимметричные многослойные структуры [7], асимметричные фотонные кристаллы [8] и асимметричные решетки [9]. В последние десятилетия металлические микронаноструктуры вызывают большой интерес в связи с многообещающими свойствами поверхностных плазмонов (ПП). Плазмонные устройства предлагаются во многих областях исследований, таких как метаповерхностная голография [10,11,12,13,14], датчик показателя преломления [15, 16] и фильтр [17, 18]. Плазмонные устройства могут сильно изменять взаимодействие электромагнитных полей в наномасштабе [19]. Модуляция на ПП может быть реализована за счет изменения окружающей диэлектрической среды и геометрических параметров металлических конструкций [20, 21]. Оптические диоды, состоящие из наноразмерных металлических структур, например, многослойных решеток с плазмонным слоем [22, 23], каскадных плазмонных решеток [24, 25], плазмонных наноотверстий [26], плазмонного щелевого волновода [27] и агрегатов плазмонных наночастиц [28]. , широко исследуются с целью оптической обработки информации.

В этой статье пропускание дихроичного оптического диода достигается в двух смещенных параллельных металлических решетках, расположенных между диэлектрической пластиной. Как улучшение пропускания, так и высокий коэффициент контрастности изоляции достигаются в двух рабочих диапазонах волн с обратными направлениями пропускания, поскольку металлические решетки, состоящие из узких щелей, демонстрируют необычайное пропускание света [29, 30], а асимметричные структуры обеспечивают однонаправленное пропускание [27,28,29,30] , 31]. В соответствии с порядком освещения две металлические решетки с разными постоянными решетки действуют как селектор и эмиттер соответственно. Селектор выбирает резонансную длину волны, возбуждая SP, и, с участием SP, излучатель реализует передачу света. Когда направление падения меняется на противоположное, две решетки меняются ролями, и SP возбуждаются на другой длине волны. Таким образом, достигается пропускание через дихроичный оптический диод. Толщина предлагаемой в данной работе оптической диодной структуры составляет всего 160 нм. С развитием технологий нанопроизводства, многие методы могут быть применены для изготовления металлических решетчатых структур, таких как ультрафиолетовая литография наноимпринтов [32], литография с прямой лазерной записью [33] и электронно-лучевая литография [34]. Характер оптического диода не зависит от интенсивности падающего излучения. Эти свойства подразумевают, что наша структура обладает широким потенциалом в оптической интеграции.

Методы

Схема структуры оптического диода представлена ​​на рис. 1. Структура состоит из двух серебряных решеток G . ₁ и G ₂ прослаивание слоя диоксида кремния. Толщина слоя кремнезема обозначается как d . . G ₁ и G ₂ иметь одинаковую ширину щели s , такой же толщины h , и различные постоянные решетки Λ _я ( я =1, 2). Структура трансляционно-симметрична, а элементарная ячейка содержит 2 единицы G ₁ и 3 единицы G ₂ . Δ обозначает поперечное относительное положение G ₁ и G ₂ в элементарной ячейке. Модель Друде [35] используется для описания диэлектрической проницаемости серебра. Показатель преломления кремнезема составляет 1,5 без учета его дисперсии. Окружающий диэлектрик представляет собой воздух с показателем преломления 1. Нормальная падающая плоская волна p -поляризация используется для исследования эффекта оптического диода.

Принципиальная схема структуры оптического диода. а Элементарная ячейка. б Общий вид

Коэффициент пропускания T структуры оптического диода определяется следующим образом:

где P _я - падающая мощность, а P _о - выходная мощность. Т моделируется численно с использованием метода конечных разностей во временной области (FDTD) [36]. Периодические граничные условия применяются к левой и правой сторонам, а границы идеально согласованного слоя применяются к верхней и нижней сторонам нашей имитационной модели. Т _Д и T _U представляют собой коэффициент пропускания для падения вниз и вверх, соответственно. Свойства оптического диода описываются коэффициентом контрастности изоляции η :

Следовательно, η =1 означает наилучшие характеристики оптического диода.

Результаты и теоретический анализ

Коэффициент пропускания и коэффициент контрастности изоляции оптической диодной структуры показаны на рис. 2. T _Д отличается от T _U когда длина падающей волны меньше λ _C . Т _Д достигает максимального значения 0,73 и T _U равно 3,7 × 10 ⁻³ при λ _Д (1315 нм). В то время как T _U достигает максимального значения 0,82 и T _Д равно 3,6 × 10 ⁻⁴ при λ _U (921 нм). Коэффициенты контрастности изоляции при λ _Д и λ _U равны 0,990 и 0,999 соответственно. На рисунке 2 показано, что эффект оптического диода достигается при примерно λ _Д и λ _U , и два диапазона волн имеют обратное направление передачи. В рабочих диапазонах волн дихроичных диодов структура демонстрирует необычайное пропускание.

Спектры пропускания и коэффициент контрастности изоляции оптической диодной структуры с d =200 нм, с = h =50 нм, Λ ₁ =900 нм, Λ ₂ =600 нм, и Δ =0 нм

Чтобы понять пропускание дихроичного оптического диода, напряженность электрического поля | E | ² в двух рабочих диапазонах волн смоделированы. Как показано на рис. 3a, d, электрическое поле усиливается между двумя решетками, когда свет проходит через структуру оптического диода. Между тем, на рис. 3b, c показан статус обратной блокировки. Усиление электромагнитного поля между двумя решетками происходит из-за СП на двух соседних границах раздела серебро / кремнезем. Типы SP на двух решетках различаются и классифицируются как структурированные SP (SSP) и индуцированные SP (ISP) соответственно. ССП возбуждается и генерируется на первой засветившейся решетке (селекторе). ISP индуцируются на последней решетке (эмиттере) за счет связи между SPP и соседней границей раздела серебро / кремнезем. Благодаря SSP и ISP свет проходит через структуру оптических диодов.

Распределения напряженности электрического поля | E | ² для падения на λ _Д =1315 нм ( a ), падение вверх на λ _Д =1315 нм ( b ), падение на λ _U =921 нм ( c ), и падение вверх на λ _U =921 нм ( d )

Плотность поверхностного заряда на границе раздела серебро / диоксид кремния и E _y Компоненты распределения электрического поля проиллюстрированы на рис. 4, чтобы показать функции связи SP. На рис. 4a, G ₁ и G ₂ имеют противоположные заряды на соседних поверхностях, что аналогично плоскому конденсатору. При условии снижения заболеваемости G ₁ действует как селектор для возбуждения SSP на λ _Д . Периодическое распределение плотности поверхностного заряда показывает, что SPP определяется постоянной решетки G ₁ . G ₂ поддерживает интернет-провайдеров, инициированных SPP, и выступает в качестве эмиттера для передачи. E _y между G ₁ и G ₂ усиливается за счет связи между SPP и ISP, как показано на рис. 4b. Для условий восходящего падения, показанных на рис. 4c, d, G ₂ действует как селектор и G ₁ действует как эмиттер.

Плотность поверхностного заряда на границе раздела серебро / диоксид кремния при G ₁ и G ₂ , при условии падения на λ _Д =1315 нм ( a ) и восходящего падения на λ _U =921 нм ( c ). Эй составляющая электрического поля при условии падения на λ _D =1315 нм ( b ) и восходящего падения на λ _U =921 нм ( d )

Как видно из рис. 4, поле пропускания периодическое и неоднородное по горизонтали ( x -ось) направление. Период Λ ( Λ =2 Λ ₁ =3 Λ ₂ ) распределения поля передачи модулируется интегральной оптической диодной структурой и удовлетворяет условию 2π / Λ =| г ₁ -g ₂ |, здесь g _я вектор решетки G _i ( я =1, 2). Дифракционная эффективность решетки увеличивается за счет существования ПП. Вектор боковой волны κ проходящего света получается из суперпозиции g ₁ и g ₂ :

И он определяет критическую длину волны λ _C ( λ _C =2π / | κ |) для T _Д ≠ Т _U . Согласно формуле. (3), λ _C составляет 1800 нм для нашей структуры, упомянутой выше, что хорошо согласуется с результатами моделирования λ _C =1806 нм показано на рис. 2. Эффекты оптического диода проявляются в диапазоне λ ≤ λ _C . Согласно результатам моделирования, период интегральных решеток (1800 нм) больше рабочих длин волн диода (1315 нм и 921 нм). Многопорядковые дифракционные компоненты могут быть получены при рассеянии света на интегральных решетках. Таким образом, поле пропускания неоднородно в направлении, параллельном решеткам, даже когда свет проходит в дальнее поле.

SSP серебряной решетки похожи на SP на плоской границе раздела серебро / кремнезем, за исключением того, что SSP являются излучательной модой [37], тогда как SP являются модами, полностью связанными с поверхностью. SSP можно рассматривать как SP на плоской границе раздела серебро / кремнезем примерно тогда, когда щели решеток чрезвычайно узкие. Итак, дисперсионное соотношение SSPs можно записать как [38] следующим образом:

где k ₀ - волновой вектор свободного пространства, а ɛ _м и ɛ _d - диэлектрические коэффициенты серебра и кремнезема соответственно. Дисперсионное соотношение, описываемое уравнением. Кривая дисперсии, рассчитанная с использованием параметров модели Друде [35] в этой статье, хорошо согласуется с кривой, рассчитанной с использованием наборов данных оптических постоянных Джонсона и Кристи [39], когда энергия фотонов ниже 2,75 эВ (<я> λ > 450 нм). На рис. 5 вертикальные красная и черная пунктирные линии представляют | g _{1 |} и | g ₂ | соответственно. SSP возбуждается решеткой, когда выполняется условие векторного согласования [40]:

Дисперсия SP на плоской границе раздела серебро / кремнезем рассчитана с использованием модели Друде и данных оптической постоянной Джонсона и Кристи. Вертикальные красные и черные штриховые линии представляют модуль вектора решетки | g ₁ | и | g ₂ | соответственно

Для нормальной заболеваемости ( θ =0 °), первого порядка ( N =1) дифракция решетки имеет наибольшую дифракционную эффективность, т.е. наибольшую эффективность возбуждения для SSP. Таким образом, уравнение. (5) выполняется в красной и черной точках, показанных на рис. 5:

В структуре оптического диода G ₁ - это селектор, который возбуждает SSP для снижения заболеваемости и G ₂ селектор для восходящего падения. G ₁ и G ₂ имеют разные постоянные решетки, поэтому SSP возбуждаются на разных длинах волн для обратных направлений падения. На рис. 5 энергия фотона в красной точке равна 0,91 эВ, а длина волны - 1365 нм, что соответствует λ . _Д (1315 нм) показано на рис. 2. Точно так же энергия фотона, обозначенная черной точкой, составляет 1,04 эВ, а его длина волны составляет 924 нм, что соответствует λ _U (921 нм) на рис. 2. В качестве приближения решетки к пластине, резонансные длины волн SSP, рассчитанные с использованием уравнения. (4) и уравнение. (6) не совсем идентичны тем, которые моделируются с использованием методов FDTD, показанных на рис. 2.

Уравнение (5) указывает, что угол падения θ влияет на условие согласования волнового вектора решетки с SSP. При изменении θ , коэффициент пропускания и контраст изоляции при λ _Д (1315 нм) и λ _U (921 нм) смоделированы и показаны на рис. 6а, б соответственно. С θ увеличивается от 0 ° до 10 °, T _Д при λ _Д и T _U при λ _U уменьшение рассогласования волнового вектора между g _я и SSP. ( Т _Д при λ _Д уменьшается до 0, когда θ ≈ 40 ° и T _U при λ _U уменьшается до 0, когда θ ≈ 35 °.) В диапазоне углов падения 0 ° ≤ θ ≤ 5 °, Т _Д при λ _U и T _U при λ _Д почти равны 0, а η всегда остается больше 0,98 на обоих λ _U и λ _Д . Рисунок 6 демонстрирует, что структура демонстрирует хороший оптический диодный эффект при λ _D и λ _U при малоугловом падении.

Влияние угла падения на коэффициент пропускания и контраст изоляции при λ _Д =1315 нм ( a ) и λ _U =921 нм ( b )

Исследование и обсуждение

В этом разделе мы исследуем влияние параметров структуры на спектры пропускания и коэффициент контрастности изоляции.

Толщина прослойки d и поперечное взаимное расположение решеток Δ ограничены точностью изготовления. Влияние d и Δ на спектрах пропускания и контрастности изоляции показаны на рис. 7 и 8 соответственно. На рисунке 7 показано, что рабочие диапазоны волн оптического диода демонстрируют небольшое красное смещение, когда d увеличивается. Между тем максимальное значение T _Д уменьшается очень мало, но максимальное значение T _U значительно уменьшается. Увеличение d увеличит расстояние прохождения света через конструкцию, ослабит электромагнитное взаимодействие между G ₁ и G ₂ , и ухудшают плотность заряда, индуцированного на поверхности эмиттера. Как видно на рис. 4, заряды, распределенные в углах щели эмиттера, действуют как электрические диполи источников поля передачи. Плотность заряда в углах щели эмиттера G ₂ (Рис. 4а) намного больше, чем в углах щели эмиттера G ₁ (Рис. 4c), поэтому d меньше влияет на максимальное значение T _Д чем у T _U . Кроме того, с увеличением d , маленькие пики отмечены как FP ₁ и FP ₂ появляются в T _U и пик передачи FP ₁ показывает большое красное смещение. Сила электрического поля | E | ² распределения доказывают, что FP ₁ и FP ₂ результат резонансов Фабри-Перо.

Влияние d по спектрам пропускания и контрастности изоляции. г =220 нм ( a ), d =240 нм ( b ) и d =260 нм ( c ) когда s = h =50 нм, Λ ₁ =900 нм, Λ ₂ =600 нм, и Δ =0 нм. На вставках - распределения напряженности электрического поля | E | ² для резонансов прохождения вверх

Влияние Δ по спектрам пропускания и контрастности изоляции. Δ =50 нм = Λ ₂ / 12 ( а ), Δ =100 нм = Λ ₂ / 6 ( b ) и Δ =150 нм = Λ ₂ / 4 ( c ), когда d =200 нм, с = h =50 нм, Λ ₁ =900 нм, и Λ ₂ =600 нм. Вставки в ( b ) равны E _y распределения для резонансов восходящего прохождения

Как показано на рис. 1, структура оптического диода является периодической и имеет такую ​​же элементарную ячейку, когда Δ =a ± M Λ ₂ / 2 (0 нм < a < Λ ₂ / 2 и M =0, 1, 2…). Кроме того, элементарная ячейка Δ = а симметрично отражению влево-вправо с отражением Δ = - а ± M Λ ₂ / 2, и они могут реализовать тот же эффект передачи. Таким образом, на коэффициент пропускания структуры оптического диода влияет Δ как: T ( Δ ) = T ( Δ + Λ ₂ / 2) =T (- Δ + Λ ₂ / 2). Как показано на рис. 8, эффект оптического диода при λ ~ 921 нм включается и выключается в течение Λ ₂ / 2 как Δ увеличивается. Однако пик передачи T _Д проявляет небольшое синее смещение и эффект оптического диода при λ ~ 1315 нм всегда горит, когда Δ увеличивается. На рис. 8а показан новый пик пропускания на λ _N появляется в T _U кривая около λ _U . Когда Δ увеличивается с Λ ₂ / 12 в Λ ₂ / 6, пик на λ _N показывает синее смещение, в то время как пик на λ _U имеет красное смещение (рис. 8а, б). E _y распределения для резонансов передачи на λ _U и λ _N вставлены на рис. 8б. Согласно результатам моделирования, резонанс на λ _N генерируется из-за расщепления энергии. Когда Δ увеличивается до Λ ₂ / 4, показанный на рис. 8c, T _U подавляется, и два резонанса пропускания исчезают, что приводит к отключению эффекта оптического диода при λ ~ 921 нм.

Согласно теоретическому анализу, рабочий диапазон длин волн оптического диода может быть получен в определенном диапазоне за счет оптимизации параметров решетки. На рисунке 9 показано, что пропускание дихроичного оптического диода достигается в видимом диапазоне света со структурными параметрами d . =100 нм, Λ ₁ =450 нм, Λ ₂ =300 нм, с = h =30 нм, и Δ =0 нм. Максимальные коэффициенты пропускания полос пропускания дихроичных диодов составляют 80% (при 522 нм для падения вверх) и 71% (при 732 нм для падения вниз), а соответствующие коэффициенты контрастности изоляции η равны 0,998 и 0,993.

Спектры пропускания и коэффициент контрастности изоляции для структуры оптического диода с d =100 нм, Λ ₁ =450 нм, Λ ₂ =300 нм, с = h =30 нм, и Δ =0 нм

Кроме того, компонент элементарной ячейки в нашей структуре также влияет на явления оптического диода. Согласно формуле. Согласно (5) диапазоны длин волн диодного эффекта зависят от Λ ₁ и Λ ₂ . В нашем исследовании мы выбрали элементарную ячейку, состоящую из 2 единиц G ₁ и 3 единицы G ₂ , т.е. 2 Λ ₁ =3 Λ ₂ , чтобы одновременно получить высокие коэффициенты пропускания и хорошие коэффициенты контрастности изоляции в диапазонах волн оптических диодов. Например, на рис. 10 показано дихроичное пропускание структуры оптического диода с элементарной ячейкой, состоящей из 3 единиц G ₁ и 4 единицы G ₂ . Эффекты оптического диода достигаются на длине волны 530 нм с T _U =72% и 659 нм с T _U =76%. Коэффициенты контрастности изоляции на двух длинах волн уменьшаются до 0,912 и 0,987, поскольку разница | g ₁ | и | g ₂ | мала, и решетка, действующая как селектор, может возбуждать SSP обеих решеток с разной эффективностью. Кроме того, когда Λ ₁ =2 Λ ₂ резонанс пропускания СП в структуре оптического диода, вызванный дифракцией первого порядка G ₂ также может быть возбуждено дифракцией второго порядка от G ₁ за 2 г ₁ = г ₂ , что снизит контрастность изоляции. Итак, хорошее свойство оптического диода требует, чтобы две постоянные решетки имели достаточную разницу и избегали целочисленной множественной связи.

Спектры пропускания и коэффициент контрастности изоляции для структуры оптического диода с элементарной ячейкой, включающей 3 единицы G ₁ и 4 единицы G ₂ . г =100 нм, Λ ₁ =400 нм, Λ ₂ =300 нм, с = h =30 нм, и Δ =0 нм

Выводы

Дихроичное оптическое диодное пропускание на основе СП реализовано в нашей структуре, состоящей из двух дислоцированных параллельных серебряных решеток и прослойки кремнезема. Первая освещенная металлическая решетка выбирает полосу пропускания, возбуждая SSP, а другая металлическая решетка излучает электромагнитную энергию вперед через колебания поверхностных электронов. Когда направление падающего света меняется на противоположное, две решетки меняются ролями, и появляется еще одна полоса пропускания оптического диода. Коэффициент оптической развязки может достигать почти 1. Полосы пропускания оптических диодов могут быть настроены в различных областях путем изменения параметров структуры. Рабочие диапазоны волн и коэффициент пропускания оптических диодов не зависят от интенсивности падающего излучения. Толщина конструкции всего несколько сотен нанометров. Эти свойства нашей структуры обеспечивают широкий спектр применения в интегральных схемах.

Сокращения

Интернет-провайдеры:

Индуцированные поверхностные плазмоны.

SP:

Поверхностные плазмоны

SSP:

Структурированные поверхностные плазмоны