Плазмонно-индуцированная прозрачность через асимметричные резонанторы бабочки для набортовой оптической связи

Аннотация

Плазмонно-индуцированная прозрачность (PIT) — эффективный способ имитации электромагнитно-индуцированной прозрачности (EIT), который может устранить непрозрачность среды для распространяющейся электромагнитной волны. Мы предлагаем апертурно-боково-связанную асимметричную структуру бабочки для реализации набортовой плазмонно-индуцированной прозрачности в диапазоне оптической связи. Плазмонно-индуцированная прозрачность результатирует из сильного связывания между дестройенными треугольными резонанторами бабочки. Каждый из резонанторов работает как Фабри-Перо полость с компактными размерами. Длина волны прозрачного пика может быть легко управляема благодаря ее сильной линейной связи с высотой резонантора. Отношение поглощающей долины к прозрачному пику может превышать 10 дБ. Кроме того, благодаря отличной линейности сдвига длины волны к показателю преломления чувствительного материала, устройство имеет великолепную сенсорную производительность и иммунность к структурным отклонениям.

Введение

Эффект электромагнитно-индуцированной прозрачности (EIT), результатирующий от квантового деструктивного интерференцирования между двумя путями в трехуровневых атомных системах, показывает огромный потенциал применений в медленном распространении света, нелинейной оптике и оптическом хранении. В EIT-системе квантовое интерференцирование снижает поглощение света в узком спектральном регионе, возникая резкий резонанс почти идеальной передачи в широком поглощающем профиле. Однако эффект EIT очень чувствителен к расширению из-за атомного движения. Реализация эффекта EIT требует стабильных газовых лазеров и строгих сред, что препятствует его практическим применениям. Недавно предложено множество конфигураций для имитации EIT-подобной передачи без требования строгих экспериментальных условий, включая связанные микрорезонаторы, расщепленные кольца и метаматериалы, составленные из диэлектрических и металлических материалов. Среди них метаматериальные EIT с периодическими единичными паттернами требуют возбуждающего сигнального света, падающего в направлении, не параллельном поверхности чипа. С падающим сигнальным светом в направлении, параллельном поверхности чипа, связанные микрорезонаторы удивительны для удовлетворения требований набортовой интеграции EIT-подобной передачи. Для дальнейшего уменьшения размера EIT-устройств, плазмонно-индуцированная прозрачность (PIT) была предложена как аналог классического EIT с сильным оптическим замыканием за пределами дифракционного предела для электромагнитных волн. Поверхностные плазмоны — оптически индуцированные колебания свободных электронов на границе металл/диэлектрик, демонстрирующие сильное оптическое замыкание и миниатюрные фотонные компоненты. Недавно металл/изолятор/металл (MIM) плазмонные волноводы с крайне высоким оптическим замыканием и более близким интервалом к смежным волноводам являются очень перспективным наномасштабным волноводом, способным преодолеть дифракционный предел и имеющим разнообразные применения плазмонных сенсоров, сопрягателей и фильтров. Таким образом, MIM-основанная PIT передача имеет огромный потенциал в набортовых приложениях оптической связи, оптической обработки информации и нелинейной оптики.

Здесь мы предлагаем новую дестройенную резонанторную структуру для получения PIT передачи в MIM волноводах. Устройство с планарной структурой состоит из двух дестройенных треугольных резонанторов и одной шины волновода, формируя асимметричную структуру бабочки для обеспечения PIT эффекта. Благодаря чувствительному и линейному отклику длины волны прозрачного пика к структурным параметрам и среде внутри волновода, предложенное устройство позволяет PIT-основанный сенсинг показателя преломления. С компактной и легко изготавливаемой структурой устройство может иметь большое значение в набортовой фотонной интеграции.

Методы

Схема асимметричной структуры бабочки изображена на рис. 1, где фоновый материал в синем — серебро, чья диэлектрическая проницаемость описывается модели Друде ε_r = ε_∞ − ω_p²/(ω² + jγω), с ε_∞=3.7, ω_p=9.1 эВ и γ=0.018 эВ. Параметры, принятые в вышеуказанном уравнении, соответствуют экспериментальным данным на частотах оптической связи. Все MIM волноводы заполнены воздухом. Длинная полоса в центре структуры — шина волновода для передачи света. По обе стороны от шины волноводы находятся резонанторы бабочки. Резонаторы бабочки асимметричны с дестройенными структурными параметрами, такими как высота и угол, обозначаемые H_u, H_d, θ₁ и θ₂. Вертексы треугольников в бабочке находятся в середине шины волновода. Таким образом, резонанторы бабочки имеют небольшие соединения с шиной волновода, обеспечивая эффективное связывание между ними. Ширина шин волноводов фиксирована в 100 нм, а длина шины волновода не влияет на PIT передаточный спектр, кроме потерь передачи. Поэтому ее длина фиксирована в 1 мкм с учетом компактности и интеграции. Две решетки на обоих концах шины волновода для инъекции широкополосного или длины-волны-сканируемого источника света и сбора передаточного спектра. Передаточный спектр численно рассчитывали методом конечных элементов с граничными условиями рассеяния. В численной моделировании плоская волна инъецировалась из левой решетки шины волновода портом для возбуждения фундаментальных TM мод поверхностных плазмон-поляритонов. Переданный свет собирали из правой решетки шины волновода, определенную как T = P_out/P_in, где P_in = ∫ P_oavz dS₁ и P_out = ∫ P_oavz dS₂; P_oavz — z-компонента временно усредненного потока мощности. Передаточные спектры структуры получали параметрическим сканированием входной длины волны. Предложенная апертурно-связанная схема потенциально имеет менее строгие требования к фабрикации, чем устройства, основанные на эванесентном связывании, и может использоваться для достижения эффективного связывания в других важных MIM плазмонных структурах.

Результаты и обсуждение

В отличие от обычных прямоугольных резонанторов, треугольные резонанторы в бабочке определяются не только длиной стороны, но и углами. Поэтому сначала исследуем влияние угла, соединенного с шиной волновода, на передачу и резонансные свойства предложенной структуры с единичным треугольным резонантором. Передаточные спектры единичного треугольного резонантора показаны на рис. 2. Все высоты резонантора фиксированы в 0.8 мкм. Верхний угол треугольного резонантора соединен с шиной волновода, позволяя электромагнитной энергии боково-связываться из шины волновода в треугольный резонантор. Таким образом, глубокие передаточные долины появляются на спектрах на рис. 2. Их количество, полоса пропускания и длины волн долей определяются структурными параметрами резонантора. Для угла 20° на спектре есть две глубокие передаточные долины. Резонансная долина на большей длине волны — 0-й порядок и 0-й порядок в продольном и горизонтальном направлениях соответственно. С уменьшением длины волны высота резонантора позволяет еще один стоячий волновой узел, который является 1-м порядком в продольном направлении. Ситуация для угла 40° похожа на 20°. По мере увеличения угла на спектре появляется еще одна резонансная долина. Более большой угол заставляет модальное распределение расщепляться в горизонтальном направлении, образуя высокий порядок 1-го порядка в горизонтальном направлении. Для большего угла 80°, режим L: 0-й порядок расщепляется в горизонтальном направлении, образуя L: 1-й; H: 1-й режим. Таким образом, увеличение угла приводит и к сдвигу длины волны, и к расщеплению модального распределения в горизонтальном направлении, образуя высокопорядковые моды. Сдвиг длины волны не имеет прямого отношения к углу, потому что вариация угла также изменяет длину стороны. Поэтому для поддержания стабильных резонансных свойств малые углы предпочтительны.

Высота резонантора — ключевой параметр резонансных свойств. Передаточные спектры устройства с единичным треугольным резонантором для высоты резонантора, меняющейся от 0.8 до 1.1 мкм, показаны на рис. 3a. Угол полости 40° выбирали во время моделирования. В диапазоне длин волн от 1.2 до 1.8 мкм, каждый из спектров имеет единичную долю, означающую резонансную долю. Все долинные передаваемости около 0.1. Как показывает электромагнитное распределение H_z на резонансных и нерезонансных длинах волн во вставках рис. 3a, большинство электромагнитной энергии связывается в треугольный резонантор на резонансной длине волны, в то время как большинство других длин волн инъецированного широкополосного света передаются через шину волновода. С прирастающей высотой длина волны долины демонстрирует поведение красного сдвига. Как показано на рис. 3b, сдвиг длины волны пропорционален высоте с отличной линейностью. Сдвиг резонансной длины волны может быть объяснен через условие стоячей волны Nλ_N = 2 n_g L, N = (1, 2, 3…). Для конкретного N, большая высота треугольного резонантора вызывает красный сдвиг резонансной длины волны, в то время как меньшая высота вызывает синий сдвиг резонансной длины волны. Для разных углов связь между резонансной длиной волны и высотой остается похожей, что делает фабрикацию выполнимой без строгих требований.

Для реализации PIT передачи требуется сильное связывание между двойными резонанторами с слегка дестройенной длиной полости. Предложенная асимметричная структура бабочки, составленная из треугольных резонанторов с слегка дестройенными высотами, обеспечивает сильное связывание между резонанторами. Тонкой настройкой высот двойных треугольных резонанторов, прозрачный передаточный пик появится в запрещенной зоне единичного резонантора. Как показано на рис. 4a, угол 20° выбирали для поддержания только одной долины в диапазоне длин волн и высоты тонко подбирали, чтобы PIT передаточная полоса располагалась около 1.55 мкм для приложений в оптической связи. Передаточный спектр единичного резонантора с высотой 0.93 мкм изображен пунктирной красной линией. Его доля находится при 1.47 мкм. Для введения структурного различия вместе с долевым различием, единичный резонантор с высотой 1.02 мкм используется для парирования предыдущего резонантора. Спектр изображен синей пунктирной линией и его доля находится при 1.61 мкм. Затем электромагнитная энергия внутри парных резонанторов сильно связывается, формируя передаточный спектр с двумя глубокими долями и одним прозрачным пиком, изображенным черной сплошной линией. Прозрачный пик располагается в центре между двумя глубокими долями, которая была запрещенной зоной для единичных резонанторов. Как показывают вставки, на первой доле большая часть электромагнитной энергии связывается в резонантор под шиной волновода, а не в верхний резонантор. На второй доле большая часть энергии связывается в верхний резонантор. Эти очень похожи на единичные резонанторы. На прозрачном пике около 75% электромагнитной энергии передается через шину волновода, и только малая часть энергии связывается в асимметричные резонанторы бабочки, образуя прозрачную полосу для распространяющейся электромагнитной энергии. Следует отметить, что PIT также может быть получен в асимметричной структуре бабочки с разными углами. Однако длина волны долины вместе с длиной волны пика не монотонно варьируется с углом, приводя к очень сложному контролю прозрачного пика. Кроме того, как упоминалось выше, резонантор с большими углами порождает многомодальный резонанс, что вредно для контроля PIT эффекта. Поэтому только PIT, индуцированный разницей высот, подробно изложен в этой работе. PIT эффект в предложенной асимметричной структуре бабочки чувствителен к высоте. Чтобы сохранить прозрачный пик на длине волны оптической связи, несколько наборов значений высоты с разницей высот от 30 до 190 нм выбирали для исследования влияния разницы высот на PIT эффект. Как показано на рис. 4b, тонким подбором наборов значений высоты резонантора, прозрачный пик может быть сохранен при 1.55 мкм. Максимальное отношение прозрачного пика к поглощающей доле может быть более 10 дБ. Ширина и передаваемость обе имеют положительную связь с разницей высот. На рис. 4c, полная ширина на половине максимума (FWHM) прозрачной полосы пропорциональна разнице высот с приблизительно линейным поведением, что согласуется с поведением на рис. 3b. Из-за наличия металлических потерь, полностью прозрачная передача PIT эффекта непрактична. Пиковая передаваемость сначала быстро увеличивается с увеличением разницы высот, а затем стремится к стабильности выше 0.8.

Как детально описано в вышеуказанных разделах, доля и прозрачный пик определяются структурными параметрами и материалом среды внутри резонантора и шины волновода. Поэтому PIT-основанный сенсинг в предложенной асимметричной структуре бабочки выполним. Ранее шина волновода и резонанторы заполнены воздухом, что означает пустые и могут использоваться как емкость для жидкости. В моделировании шина волновода и резонанторы заполнены жидкостью. Ее показатель преломления варьируется от 1.30 до 1.40, охватывая различные распространенные жидкости воды, ацетона, метилового спирта, этилового спирта, пропилового спирта, глюкозного раствора и др. Как показано на рис. 5a, прозрачный пик ведет себя как красный сдвиг с увеличением показателя преломления жидкости. Каждый пик может быть очевидно отличен и пиковая передаваемость почти сохраняет стабильность. На рис. 5b, функции пиковой длины волны как показатель преломления для разниц высот 50 нм, 70 нм, 90 нм, 120 нм и 150 нм прямо пропорциональны. Сдвиг длины волны имеет отличную линейность. Рассчитанные чувствительности для разниц высот все приблизительно равны 1140 нм/RIU, а соответствующее сенсорное разрешение составляет 8.8 × 10⁻⁵ RIU. Таким образом, асимметричная бабочка PIT-основанный сенсор имеет очень высокую чувствительность и отличную иммунность к фабрикационным отклонениям.

Заключение

Мы предложили асимметричную структуру бабочки для реализации PIT эффекта. Передаточные свойства резонанторов с разными структурными параметрами численно рассчитывали методом конечных элементов. Через сильное связывание между дестройенными треугольными резонанторами, прозрачная передаточная полоса может быть получена в запрещенной зоне единичных резонанторов. Со всеми тремя измерениями меньше длины волны в свободном пространстве, устройство имеет простую и ультракомпактную структуру. Устройство также имеет отличную иммунность к фабрикационным отклонениям, делая его легким в изготовлении без строгих требований. Более того, PIT-основанное сенсорное свойство было продемонстрировано с использованием предложенной асимметричной структуры бабочки. Устройство может достичь максимальной чувствительности 1140 нм/RIU; соответствующее сенсорное разрешение 8.8 × 10⁻⁵ RIU. Чувствительность имеет отличную линейность и последовательность для варьирующейся разницы высот. Таким образом, наша предложенная асимметричная структура бабочки предоставляет новую платформу для набортовых EIT-подобных устройств и сенсоров показателя преломления.

Доступность данных и материалов

Набор данных доступен без ограничений.

Аббревиатуры

EIT:

Электромагнитно-индуцированная прозрачность

FWHM:

Полная ширина на половине максимума

MIM:

Металл-изолятор-металл

PIT:

Плазмонно-индуцированная прозрачность