Высокоэффективный дихроический оптический диод на базе двух смещенных металлических решеток

Аннотация

Предложена и численно исследована структура оптического диода с двумя смещенными параллельными металлическими решетками. Реализована дихроическая передача оптического диода: эффект диода наблюдается в двух волновых диапазонах, соответствующих обратным направлениям передачи. Структура состоит из двух параллельных металлических решеток с разными периодами, разделенных диэлектрическим слоем. Первая освещенная решетка выступает селектором для возбуждения поверхностных плазмонов на подходящей длине волны. Вторая решетка выступает излучателем для реализации оптической передачи. При смене направления падения роли решеток меняются местами, и поверхностные плазмоны возбуждаются на другой длине волны. В дихроических диапазонах структура демонстрирует необыкновенную передачу и обладает высоким оптическим изоляционным коэффициентом до 1. Рабочие диапазоны можно модулировать изменением структурных параметров.

Введение

Оптический диод, передающий фотоны в одном направлении и блокирующий в обратном, привлекает внимание своим однонаправленным свойством. Эффект диода возникает при нарушении временной обратимости свет-вещество взаимодействия. Внешнее магнитное поле, смещающее напряжение, акустическая волна или временная модуляция могут реализовать эффект. Альтернатива — структура с нарушением пространственной инверсионной симметрии: асимметричные многослойные структуры, асимметричные фотонные кристаллы, асимметричные решетки. В последние десятилетия металлические микронаноструктуры вызывают интерес благодаря перспективным свойствам поверхностных плазмонов (ПП). Плазмонные устройства предлагаются в метаповерхностной голографии, рефрактивных сенсорах, фильтрах. Плазмонные структуры сильно модифицируют взаимодействие ЭМ полей в наномасштабе. Модуляция ПП достигается изменением диэлектрического окружения и геометрии металлических структур. Оптические диоды из наномасштабных металлических структур — плазмонные слои между решетками, каскадные плазмонные решетки, плазмонные нанодырки, плазмонные щелевые волноводы, агрегаты плазмонных наночастиц — широко исследуются для оптической обработки информации.

В этой работе дихроическая передача диода получена в двух смещенных параллельных металлических решетках, сэндвичающих диэлектрический слой. Достигнуты усиление передачи и высокий коэффициент изоляции в двух рабочих диапазонах с обратными направлениями, так как металлические решетки с узкими щелями дают необыкновенную передачу света, а асимметричные структуры — однонаправленную передачу. Согласно порядку освещения, две решетки с разными периодами выступают селектором и излучателем. Селектор выбирает резонансную длину волну, возбуждая ПП, а с их помощью излучатель реализует передачу света. При смене направления падения роли меняются, ПП возбуждаются на другой длине волны. Таким образом, получена дихроическая передача диода. Толщина предложенной структуры всего ~160 нм. С развитием нанофабрикации многие методы применимы к металлическим решеткам: УФ наноимпринт литография, лазерная прямая запись, электроннолучевая литография. Характер диода не зависит от интенсивности падающего света. Эти свойства подразумевают широкий потенциал в оптической интеграции.

Методы

Схема структуры на рис. 1. Две серебряные решетки G₁ и G₂ сэндвичат кремнезевый слой. Толщина кремнезема — d. G₁ и G₂ имеют одинаковую ширину щели s, толщину h и разные периоды Λᵢ (i = 1, 2). Структура трансляционно симметрична, элементарная ячейка содержит 2 единицы G₁ и 3 единицы G₂. Δ обозначает боковую относительную позицию G₁ и G₂ в ячейке. Модель Друда описывает диэлектрическую функцию серебра. Показатель преломления кремнезема 1,5, дисперсия пренебрегается. Окружающая среда — воздух (n = 1). Нормально падающая p-поляризованная плоская волна исследует эффект диода.

Коэффициент передачи T определяется как T = Pₒ/Pᵢ, где Pᵢ — падающая мощность, Pₒ — выходная. T моделируется численно методом FDTD. Периодические граничные условия по бокам, идеально согласованные слои сверху и снизу. T_D и T_U — передача для нисходящего и восходящего падения. Свойство диода описывается коэффициентом изоляции η:

η = 1 означает лучшую производительность диода.

Результаты и теоретический анализ

Спектры передачи и коэффициент изоляции на рис. 2. T_D отличается от T_U при λ < λ_C. T_D максимум 0,73, T_U = 3,7×10⁻³ при λ_D (1315 нм). T_U максимум 0,82, T_D = 3,6×10⁻⁴ при λ_U (921 нм). Коэффициенты изоляции при λ_D и λ_U — 0,990 и 0,999. Эффект диода получен около λ_D и λ_U, два диапазона имеют обратные направления передачи. В дихроических диапазонах структура показывает необыкновенную передачу.

Для понимания механизма смоделировали интенсивность электрического поля |E|² в двух рабочих диапазонах. Рис. 3а, г показывают усиление поля между решетками при передаче. Рис. 3б, в — блокировку в обратном направлении. Усиление ЭМ поля обусловлено ПП на двух смежных границах Ag/SiO₂. Типы ПП на двух решетках различаются: структурные ПП (SSPs) и индуцированные ПП (ISPs). SSPs возбуждаются на первой освещенной решетке (селектор). ISPs индуцируются на второй решетке (излучатель) связью между SPPs и смежной границей Ag/SiO₂. Благодаря SSPs и ISPs свет проходит через структуру.

Поверхностная плотность заряда на границе Ag/SiO₂ и компонента E_y поля на рис. 4 для раскрытия связывающей функции ПП. На рис. 4а G₁ и G₂ имеют противоположные заряды на смежных поверхностях, как конденсатор. При нисходящем падении G₁ — селектор, возбуждает SSPs при λ_D. Периодическое распределение заряда показывает, что SPPs определен периодом G₁. G₂ поддерживает ISPs, индуцированные SPPs, и работает как излучатель. E_y между G₁ и G₂ усилен за счет связи SPPs и ISPs (рис. 4б). Для восходящего падения (рис. 4в, г) G₂ — селектор, G₁ — излучатель.

Из рис. 4 видно, что передающее поле периодично и неоднородно по горизонтали (ось x). Период Λ (Λ = 2Λ₁ = 3Λ₂) модулируется интегрированной структурой и удовлетворяет 2π/Λ = |g₁ - g₂|, где gᵢ — вектор решетки Gᵢ. Боковой волновой вектор κ переданного света исходит из суперпозиции g₁ и g₂:

Он определяет критическую длину волны λ_C (λ_C = 2π/|κ|) для T_D ≠ T_U. По (3) λ_C = 1800 нм для нашей структуры, в хорошем согласии с моделированием λ_C = 1806 нм (рис. 2). Эффекты диода появляются при λ ≤ λ_C. Период интегрированных решеток (1800 нм) больше рабочих длин волн диода (1315 и 921 нм). Многоуровневые дифракционные компоненты получаются при рассеянии на интегрированных решетках. Поэтому передающее поле неоднородно параллельно решеткам даже в дальней зоне.

SSPs серебряной решетки аналогичны ПП на плоской границе Ag/SiO₂, но SSPs — излучаемые моды, тогда как ПП — полностью поверхностные. SSPs можно приближенно считать ПП на плоской границе при очень узких щелях. Дисперсионное соотношение SSPs:

где k₀ — волновой вектор в вакууме, ε_m и ε_d — диэлектрические коэффициенты серебра и кремнезема. Дисперсия по (4) на рис. 5. Кривая, рассчитанная параметрами Друда, хорошо согласуется с данными Johnson и Christy при энергии фотона < 2,75 эВ (λ > 450 нм). На рис. 5 вертикальные красные и черные пунктирные линии — |g₁| и |g₂|. SSPs возбуждается решеткой при выполнении условия векторного согласования:

Для нормального падения (θ = 0°) первая порядковая дифракция (N = 1) имеет наивысшую эффективность, т.е. наибольшую эффективность возбуждения SSPs. Уравнение (5) выполняется в красной и черной точках на рис. 5:

В структуре диода G₁ — селектор для нисходящего падения, G₂ — для восходящего. G₁ и G₂ имеют разные периоды, поэтому SSPs возбуждаются на разных длинах волн для обратных направлений. На рис. 5 энергия фотона в красной точке 0,91 эВ, длина волны 1365 нм, соответствующая λ_D (1315 нм) на рис. 2. Энергия в черной точке 1,04 эВ, длина волны 924 нм, соответствующая λ_U (921 нм). Как приближение решетки к пластине, резонансные длины волн SSPs по (4) и (6) не точно равны FDTD-результатам на рис. 2.

Уравнение (5) показывает, что угол падения θ влияет на условие векторного согласования решетки к SSPs. При изменении θ смоделировали передачу и η при λ_D (1315 нм) и λ_U (921 нм) — рис. 6а, б. При увеличении θ от 0° до 10° T_D при λ_D и T_U при λ_U падают из-за несоответствия векторов gᵢ и SSPs. (T_D при λ_D падает до 0 при θ ≈ 40°, T_U при λ_U — при θ ≈ 35°). В диапазоне 0° ≤ θ ≤ 5° T_D при λ_U и T_U при λ_D почти 0, η > 0,98 при обоих λ_U и λ_D. Рис. 6 демонстрирует хороший эффект диода при малых углах падения.

Исследование и обсуждение

Исследуем влияние структурных параметров на спектры передачи и коэффициент изоляции.

Межслойная толщина d и боковая позиция Δ ограничены точностью фабрикации. Влияние d и Δ на спектры и η на рис. 7 и 8. Рис. 7: рабочие диапазоны незначительно красносмещаются при увеличении d. Максимум T_D почти не меняется, максимум T_U падает значительно. Увеличение d удлиняет путь света, ослабляет ЭМ взаимодействие между G₁ и G₂, ухудшает заряд на излучателе. На рис. 4 заряды у углов щелей излучателя — дипольные источники передающего поля. Заряд у щели G₂ (рис. 4а) гораздо больше, чем у G₁ (рис. 4в), поэтому d меньше влияет на макс. T_D, чем на T_U. Кроме того, при увеличении d в T_U появляются малые пики FP₁ и FP₂, пик FP₁ сильно красносмещается. Распределения |E|² доказывают, что FP₁ и FP₂ — Фабри-Перо резонансы.

Структура периодична и имеет ту же ячейку при Δ = a ± MΛ₂/2 (0 < a < Λ₂/2, M = 0,1,2…). Ячейка Δ = a лево-право симметрична с Δ = −a ± MΛ₂/2 и дает тот же эффект. Поэтому передача зависит от Δ как: T(Δ) = T(Δ + Λ₂/2) = T(−Δ + Λ₂/2). На рис. 8 эффект диода при λ~921 нм включается и выключается с периодом Λ₂/2 при увеличении Δ. Однако пик T_D незначительно синеет, эффект диода при λ~1315 нм всегда включен. На рис. 8а в T_U появляется новый пик λ_N рядом с λ_U. При увеличении Δ от Λ₂/12 до Λ₂/6 пик λ_N синеет, а пик λ_U красносмещается (рис. 8а, б). Распределения E_y для резонансов λ_U и λ_N вставлены в рис. 8б. По моделированию резонанс λ_N возникает из-за расщепления энергии. При Δ = Λ₂/4 (рис. 8в) T_U подавляется, два резонанса исчезают, эффект диода выключается при λ~921 нм.

По теоретическому анализу рабочий диапазон диода можно получить в определенном интервале оптимизацией параметров решеток. Рис. 9 показывает дихроическую передачу в видимом диапазоне при d = 100 нм, Λ₁ = 450 нм, Λ₂ = 300 нм, s = h = 30 нм, Δ = 0 нм. Макс. передачи: 80% (522 нм, восходящее) и 71% (732 нм, нисходящее), η = 0,998 и 0,993.

Компонента элементарной ячейки также влияет на феномены диода. По (5) диапазоны зависят от Λ₁ и Λ₂. Мы выбрали ячейку из 2 единиц G₁ и 3 единиц G₂ (2Λ₁ = 3Λ₂) для одновременного получения высоких передач и хороших η. Рис. 10 показывает дихроическую передачу для ячейки 3 единицы G₁ и 4 единицы G₂. Эффекты диода при 530 нм (T_U = 72%) и 659 нм (T_U = 76%). η снижены до 0,912 и 0,987, так как разница |g₁| и |g₂| мала и селектор возбуждает SSPs обеих решеток с разной эффективностью. При Λ₁ = 2Λ₂ резонанс ПП от первой дифракции G₂ также возбуждается второй дифракцией G₁ (2g₁ = g₂), снижая η. Хорошее свойство диода требует достаточной разницы периодов и избегания целого кратного соотношения.

Заключение

Дихроическая передача оптического диода на базе ПП реализована в структуре из двух смещенных параллельных серебряных решеток и кремнеzevого межслоя. Первая освещенная решетка выбирает диапазон передачи, возбуждая SSPs, вторая излучает ЭМ энергию вперед через колебания поверхностных электронов. При смене направления падения роли меняются, появляется другой диапазон диода. Коэффициент изоляции почти достигает 1. Рабочие диапазоны можно настраивать в разные области изменением параметров. Рабочие диапазоны и передача не зависят от интенсивности падения. Толщина структуры — всего несколько сотен нм. Эти свойства дают широкий круг применений в интегральных схемах.

Аббревиатуры

ISPs:

Индуцированные поверхностные плазмоны

SPs:

Поверхностные плазмоны

SSPs:

Структурные поверхностные плазмоны