Прозрачность, индуцированная плазмонами в асимметричной структуре типа бабочка

Фон

Эффект электромагнитно индуцированной прозрачности (EIT), который возникает в результате квантовой деструктивной интерференции между двумя путями в трехуровневых атомных системах [1, 2], демонстрирует огромные возможности применения в медленном распространении света [3, 4], нелинейной оптике [5] и оптическая память [6]. В системе EIT эффект квантовой интерференции уменьшает поглощение света в узкой спектральной области, вызывая резкий резонанс почти идеального пропускания в широком профиле поглощения [7]. Однако эффект EIT очень чувствителен к расширению из-за движения атомов. Для реализации эффекта EIT требуются стабильные газовые лазеры и жесткие условия окружающей среды, что затрудняет его практическое применение. В последнее время были предложены различные конфигурации для имитации передачи, подобной EIT, без требований строгих экспериментальных условий, включая связанные микрорезонаторы [8,9,10,11,12], разъемное кольцо и метаматериалы [13,14, 15,16], состоящий из диэлектрических и металлических материалов. Среди них EIT на основе метаматериалов с периодическими единичными узорами требует, чтобы возбужденный сигнальный свет падал в направлении, не параллельном поверхности чипа. Когда возбужденный сигнальный свет падает в направлении, параллельном поверхности кристалла, связанные микрорезонаторы отлично подходят для удовлетворения требований интегрированных в кристалл приложений передачи, подобных EIT. Чтобы еще больше уменьшить площадь, занимаемую EIT-устройствами, была предложена индуцированная плазмонами прозрачность (PIT) как аналог классической EIT с сильным оптическим ограничением за дифракционным пределом для электромагнитных волн [17,18,19]. Поверхностные плазмоны - это оптически индуцированные колебания свободных электронов на границе раздела металл / диэлектрик, демонстрирующие сильное оптическое ограничение и миниатюрные фотонные компоненты [20, 21]. В последнее время плазмонные волноводы металл / изолятор / металл (MIM) с чрезвычайно высоким оптическим ограничением и меньшим расстоянием между соседними волноводами представляют собой очень многообещающие наноразмерные волноводы, способные преодолевать дифракционный предел и находящие разнообразные применения в плазмонных сенсорах [22], ответвителях [22]. 23] и фильтры [24]. Таким образом, передача PIT на основе MIM имеет огромный потенциал во встроенных приложениях оптической связи, оптической обработки информации и нелинейной оптики.

Здесь мы предлагаем новую структуру расстроенных резонаторов для получения передачи PIT в волноводах MIM. Устройство с планарной структурой состоит из двух расстроенных треугольных резонаторов и одного шинного волновода, образующих асимметричную структуру типа бабочка для обеспечения эффекта PIT. Благодаря чувствительной и линейной реакции длины волны прозрачного пика на структурные параметры и среду внутри волновода, предлагаемое устройство позволяет определять показатель преломления на основе PIT. Обладая компактной и простой в изготовлении структурой, устройство может иметь большое значение для интеграции фотонных устройств на кристалле.

Методы

Схема асимметричной структуры галстука-бабочки изображена на рис. 1, где синий фон представляет собой серебро, диэлектрическая проницаемость которого описывается моделью Друде \ ({\ varepsilon} _r ={\ varepsilon} _ {\ infty} - {\ omega} _p ^ 2 / \ left ({\ omega} ^ 2 + j \ gamma \ omega \ right) \), с ε _∞ =3,7, ω _p =9,1 эВ и γ =0,018 эВ. Параметры, принятые здесь в приведенном выше уравнении, соответствуют экспериментальным данным на частотах оптической связи [25]. Все волноводы МИМ заполнены воздухом. Длинная полоса в центре конструкции является волноводом шины для передачи света. По обеим сторонам автобуса волноводы - это резонаторы-бабочки. Резонаторы типа «бабочка» асимметричны, а расстроенные структурные параметры, такие как высота и угол, обозначаются H . _u , H _d , θ ₁ , и θ ₂ . Вихри треугольников в галстуке-бабочке находятся в середине волновода автобуса. Таким образом, резонаторы типа «бабочка» имеют небольшие соединения с волноводом шины, что обеспечивает эффективную связь между ними. Ширина волноводов шины фиксирована и составляет 100 нм, а длина волновода шины не влияет на спектр передачи PIT, за исключением потерь при передаче. Таким образом, его длина зафиксирована на уровне 1 мкм с учетом компактности и интеграции. Две решетки на обоих концах волновода шины предназначены для ввода широкополосного или качающегося по длине волны источника света и сбора спектра пропускания. Спектр пропускания был численно рассчитан методом конечных элементов с граничными условиями рассеяния. При численном моделировании плоская волна инжектировалась из левой решетки волновода шины через порт для возбуждения основных TM-мод SP. Проходящий свет собирался из правой решетки волновода шины, который обозначен как T = P _вне / P _в , где P _в =∫ P oavzd S ₁ и P _out =∫ Поавзд S ₂ ; Поавз это z составляющая среднего по времени потока мощности. Спектры пропускания структуры получены путем параметрической развертки входной длины волны. Эту асимметричную структуру типа «бабочка» можно изготовить с помощью следующих этапов:во-первых, нанесите пленку Ag толщиной 500 нм на подложку из диоксида кремния / кремния; затем нанесите пленку диоксида кремния толщиной 500 нм; наконец, изготовить требуемый узор, включая решетки, методом ЭЛС и травления. Предлагаемая схема с апертурной связью потенциально имеет менее строгие требования к изготовлению, чем устройства, основанные на быстродействующей связи, и может использоваться для достижения эффективной связи в других важных плазмонных структурах MIM.

Принципиальная схема асимметричной конструкции бабочки

Результаты и обсуждение

В отличие от обычных прямоугольных резонаторов, треугольные резонаторы в галстуке-бабочке определяются не только длиной стороны, но и углами. Итак, сначала мы исследуем влияние угла, соединенного с волноводом шины, на передаточные и резонансные свойства предлагаемой структуры с одним треугольным резонатором. Спектры пропускания одиночного треугольного резонатора показаны на рис. 2. Все высоты резонатора зафиксированы на уровне 0,8 мкм. Верхний угол треугольного резонатора соединен с волноводом шины, что позволяет передавать электромагнитную энергию сбоку из волновода шины в треугольный резонатор. Таким образом, на спектрах на рис. 2 появляются глубокие впадины пропускания. Эти количество, ширина полосы и длины волн впадин определяются структурными параметрами резонатора. Для угла 20 ° на спектре видны две глубокие впадины пропускания. Резонансная впадина на большей длине волны имеет 0-й порядок и 0-й порядок в продольном и горизонтальном направлениях соответственно. При уменьшении длины волны высота резонатора допускает еще один узел стоячей волны, который имеет 1-й порядок в продольном направлении. Ситуация для угла 40 ° аналогична ситуации для 20 °. С увеличением угла в спектре появляется еще одна резонансная впадина. Больший угол приводит к разделению модального распределения в горизонтальном направлении, образуя моду высокого порядка 1-го порядка в горизонтальном направлении. Для большего угла 80 ° мода L:0-го порядка разделяется в горизонтальном направлении, образуя L:1-й; H:1-й режим. Таким образом, увеличение угла приводит как к сдвигу длины волны, так и к расщеплению модального распределения в горизонтальном направлении, формируя моды высокого порядка. Длина волны сдвига не имеет прямого отношения к углу, потому что изменение угла также изменяет длину стороны. Таким образом, для сохранения устойчивых резонансных свойств предпочтительны небольшие углы.

Спектры пропускания одиночного треугольного резонатора для углов 20 ° ( a ), 40 ° ( b ), 60 ° ( c ) и 80 ° ( d ). Вставки магнитного поля H _z соответствующие резонансным длинам волн

Высота резонатора является ключевым параметром резонансных свойств. Спектры пропускания устройства с одним треугольным резонатором при высоте резонатора от 0,8 до 1,1 мкм показаны на рис. 3а. При моделировании был выбран угол каверны 40 °. В диапазоне длин волн от 1,2 до 1,8 мкм каждый из спектров имеет единственный провал, означающий резонансную впадину. Коэффициент пропускания для всех долин составляет около 0,1. Поскольку электромагнитное распределение H _z на резонансных и нерезонансных длинах волн, показанных на вставках к фиг. 3a, большая часть электромагнитной энергии уходит в треугольный резонатор на резонансной длине волны, в то время как большинство других длин волн инжектируемого широкополосного света передается через шинный волновод. С увеличением высоты длина волны впадины проявляет красное смещение. Как показано на рис. 3b, длина волны смещения пропорциональна высоте с превосходной линейностью. Сдвиг резонансной длины волны можно объяснить с помощью условия стоячей волны Nλ _N =2 n _г L , N =(1, 2, 3…). Для определенного N , большая высота треугольного резонатора вызывает красное смещение резонансной длины волны, в то время как меньшая высота вызывает синий сдвиг резонансной длины волны. Для разных углов соотношение между резонансной длиной волны и высотой остается одинаковым, что делает возможным изготовление без строгих требований.

Передаточные свойства одиночного треугольного резонатора . а Спектры пропускания одиночного треугольного резонатора для переменной высоты. б Зависимость резонансной длины волны от высоты для углов 40 °, 60 ° и 80 °. Вставки магнитного поля H _z соответствующие резонансным и нерезонансным длинам волн

Чтобы реализовать передачу PIT, требуется сильная связь между двойными резонаторами со слегка отстроенной длиной резонатора. Предлагаемая асимметричная структура типа «бабочка», состоящая из треугольных резонаторов со слегка расстроенной высотой, обеспечивает прочную связь между резонаторами. Путем точной настройки высоты двойных треугольных резонаторов в запрещенной зоне одиночного резонатора появится прозрачный пик пропускания. Как показано на рис. 4a, угол 20 ° был выбран для сохранения только одной впадины в диапазоне длин волн, а высоты были точно выбраны так, чтобы полоса пропускания PIT располагалась около 1,55 мкм для приложений в оптической связи. Спектр пропускания одиночного резонатора высотой 0,93 мкм изображен красной пунктирной линией. Его долина составляет 1,47 мкм. Чтобы внести структурные различия наряду с разницей впадин, одиночный резонатор высотой 1,02 мкм используется для соединения предыдущего резонатора. Спектр изображен синей пунктирной линией, а его впадина находится на уровне 1,61 мкм. Затем электромагнитная энергия внутри парных резонаторов сильно взаимодействует, образуя спектр пропускания с двумя глубокими впадинами и одним прозрачным пиком, который изображен сплошной черной линией. Прозрачный пик находится в центре между двумя глубокими впадинами, которые были запрещенной зоной для одиночных резонаторов. Как показано на вставках, в первой впадине основная электромагнитная энергия передается в резонатор под шинным волноводом, а не в верхний резонатор. Во второй впадине большая часть электромагнитной энергии попадает в верхний резонатор. Они очень похожи на одиночные резонаторы. В пике прозрачности около 75% электромагнитной энергии проходит через волновод шины, и только небольшая часть энергии попадает в асимметричные резонаторы типа бабочка, образуя прозрачную полосу для распространяющейся электромагнитной энергии. Следует отметить, что PIT может быть также получен в асимметричной конструкции бабочки с разными углами. Однако длина волны впадины вместе с длиной волны пика не изменяется монотонно с углом, что приводит к очень сложному контролю прозрачного пика. Более того, как упоминалось в предыдущем разделе, резонатор с большими углами вызывает многомодовый резонанс, который мешает регулированию эффекта PIT. Таким образом, в этой статье рассматривается только ИПН, вызванная перепадом высот. Эффект PIT в предлагаемой асимметричной конструкции галстука-бабочки чувствителен к высоте. Чтобы сохранить прозрачный пик на длине волны оптической связи, выбираются несколько наборов значений высоты с разницей высот от 30 до 190 нм, чтобы исследовать влияние разницы высот на эффект PIT. Как показано на рис. 4b, за счет точного выбора наборов значений высоты резонатора прозрачный пик может быть сохранен на уровне 1,55 мкм. Максимальное отношение прозрачного пика к впадине поглощения может быть более 10 дБ. И ширина, и коэффициент пропускания положительно связаны с разницей в высоте. На рис. 4c полная ширина на полувысоте (FWHM) прозрачной полосы пропорциональна разнице высот с приблизительно линейным поведением, которое согласуется с поведением на рис. 3b. Из-за наличия металлической диссипации полностью прозрачная передача эффекта PIT непрактична. Пиковая проницаемость сначала быстро увеличивается с увеличением разницы высот, а затем становится стабильной выше 0,8.

Трансмиссия PIT асимметричной конструкции бабочки. а PIT Спектр передачи. б Спектры пропускания PIT при различной разнице высот. c FWHM и пиковая проницаемость как функции разницы высот

Как подробно описано в предыдущих разделах, впадина и прозрачный пик определяются структурными параметрами и материалом среды внутри резонатора и шинного волновода. Таким образом, зондирование на основе PIT в предлагаемой асимметричной структуре бабочки возможно. Раньше волновод и резонаторы шины были заполнены воздухом, то есть пустыми и могли использоваться в качестве емкости для жидкости. При моделировании волновод шины и резонаторы заполнены жидкостью. Его показатель преломления варьируется от 1,30 до 1,40, охватывая различные обычные жидкости, такие как вода, ацетон, метиловый спирт, этиловый спирт, пропиловый спирт, раствор глюкозы и др. [26]. Как показано на рис. 5а, прозрачный пик проявляет красное смещение с увеличением показателя преломления жидкости. Очевидно, что каждый пик можно различить, а пиковая проницаемость почти остается стабильной. На рис. 5b функции длины волны пика как показателя преломления для разностей высот 50 нм, 70 нм, 90 нм, 120 нм и 150 нм прямо пропорциональны. Сдвиг длины волны имеет отличную линейность. Рассчитанные значения чувствительности для разницы высот примерно равны 1140 нм / RIU, а соответствующее разрешение зондирования составляет 8,8 × 10 ⁻⁵ RIU. Таким образом, асимметричный датчик на основе PIT типа «бабочка» обладает очень высокой чувствительностью и отличной устойчивостью к производственным отклонениям.

Чувствительные свойства на основе PIT. а Спектры пропускания при разнице высот 90 нм при изменении показателя преломления от 80 до 120 нм. б Зависимость максимальной длины волны от показателя преломления для разной разницы высот

Выводы

Мы предложили асимметричную структуру бабочки для реализации эффекта PIT. Пропускные свойства резонаторов с различными конструктивными параметрами были рассчитаны численно методом конечных элементов. Благодаря сильной связи между расстроенными треугольными резонаторами можно получить прозрачную полосу пропускания в запрещенной зоне одиночных резонаторов. Все три размера меньше длины волны в свободном пространстве, устройство имеет простую и сверхкомпактную конструкцию. Устройство также обладает отличной невосприимчивостью к заводским отклонениям, что упрощает изготовление без строгих требований. Кроме того, свойство зондирования на основе PIT было продемонстрировано с использованием предложенной асимметричной конструкции типа «бабочка». Устройство может достигать максимальной чувствительности 1140 нм / RIU; соответствующее разрешение зондирования составляет 8,8 × 10 ⁻⁵ RIU. Чувствительность имеет отличную линейность и постоянство при изменении разницы высот. Таким образом, предлагаемая нами асимметричная структура бабочки обеспечивает новую платформу для встроенных в микросхем EIT-подобных устройств и датчиков показателя преломления.

Доступность данных и материалов

Набор данных доступен без ограничений.

Сокращения

EIT:

Электромагнитная прозрачность

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

MIM:

Металл-изолятор-металл

PIT:

Плазмон-индуцированная прозрачность