Настраиваемый двухполосный, нечувствительный к поляризации когерентный идеальный поглотитель на двойном слое графина в гибридном волноводе

Аннотация

Врожденное поглощение графена 2,3% в видимом и инфракрасном ограничивает его оптоэлектронное воздействие. Мы представляем настраиваемый двухполосный, нечувствительный к поляризации когерентный идеальный поглотитель (КИП) в среднем инфракрасном, построенный вокруг кремниевой наноструктуры, связанной с двойным слоем графина в волноводе. Моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD) раскрывает пики идеального поглощения на 9611 нм и 9924 нм. Центральная симметрия структуры гарантирует независимость от поляризации, в то время как когерентное поглощение может быть модулировано все-оптически путем регулировки относительной фазы двух встречно распространяющихся лучей. Кроме того, независимая настройка уровней Ферми двух графиновых слоев сдвигает пики поглощения в широком спектральном диапазоне, позволяя переключение между двухполосной и узкополосной работой. Эти результаты указывают на универсальные, CMOS-совместимые средне-ИК фотонные устройства, такие как переключатели, логические гейты и когерентные фотодетекторы.

Введение

Эффективное свет-вещество взаимодействие в атомарно тонких материалах является ключевым для фотоники следующего поколения. В то время как дихалькогениды переходных металлов, гексагонитарный нитрид бора и черный фосфор показали сильные экситонные отклики, графен остается уникальной платформой благодаря своей широкополосной оптической проводимости и высокой подвижности носителей. Его однослойная форма поглощает только ~2,3% падающего света, но возбуждение поверхностных плазмонно-поляритонов (SPP) в терагерцовом и среднеинфракрасном может драматически усилить ограничение и поглощение. Графиновые поглотители, модуляторы и сенсоры поэтому привлекли интенсивный исследовательский интерес.

Когерентное идеальное поглощение (КИП) предлагает путь к устранению потерь поглощения за счет эксплуатации интерференции между встречно распространяющимися волнами. В графене КИП демонстрировался в кремниевых пластинах и планарных метаматериалах, но двухполосная работа в среднем инфракрасном оставалась в значительной степени неисследованной. Здесь мы проектируем симметрично-инженерный КИП, достигающий одновременного идеального поглощения на двух различных длинах волн, с полным контролем над поляризацией, фазой и спектральной позицией.

Методы

Устройство состоит из двух непрерывных графиновых монолейеров на силицевой подложке, разделенных 75-нм силицевым 스페йсером (Рисунок 1). 160-нм периодический массив кремниевых квадратов (80-нм сторона, 100-нм высота) располагается на верхнем графене. Нижний графен лежит на 150 нм ниже подложки. Две когерентные плоские волны (I1 и I2) падают с противоположных сторон; их относительная амплитуда (α) и фаза (φ) определяются как I2=αI1 exp(iφ+ikz). Проводимость графена следует локальному случайному фазовому приближению: \[\sigma(\omega)=\frac{ie^2k_BT}{\pi\hbar^2(\omega+i\tau^{-1})}\Big[\frac{E_f}{k_BT}+2\ln(e^{-E_f/k_BT}+1)\Big]+\frac{ie^2}{4\pi\hbar}\ln\Big[\frac{2E_f-(\omega+i\tau^{-1})\hbar}{2E_f+(\omega+i\tau^{-1})\hbar}\Big]\], где T=300 K, E_f — энергия Ферми, и τ=μE_f/eν_f² с μ=10 000 см² В⁻¹ с⁻¹ и ν_f=1,1×10⁶ м с⁻¹. Верхний и нижний слои установлены на E_f1=0,66 эВ и E_f2=0,31 эВ соответственно.

Мы используем 3D FDTD с периодическими граничными условиями в боковых направлениях и идеально согласованными слоями вдоль оси распространения. Неравномерная сетка (0,1 нм на графене) обеспечивает численную точность при разумной вычислительной нагрузке.

Результаты и обсуждение

При единственном падающем луче устройство демонстрирует двухполосные пики поглощения ниже теоретического предела 50% (A_max=0,5), подтверждая, что графен в одиночку не может достичь идеального поглощения. Когда две встречные волны интерферируют, формализм матрицы рассеяния дает когерентное поглощение \[A_{co}=1-\frac{|O_1|^2+|O_2|^2}{|I_1|^2+|I_2|^2}=1-\frac{1+\alpha^2-2\alpha\cos\varphi}{2(1+\alpha^2)}.\] Установка α=1 и φ=0 дает идеальное поглощение (A_co=1) при λ₁=9611 нм и λ₂=9924 нм (Рисунок 3). Центральная симметрия устройства делает его нечувствительным к поляризации; как p-, так и s-поляризованное освещение дает идентичные спектры.

Фазовая настройка предлагает все-оптическую модуляцию: изменение φ от 0 до π подавляет пики поглощения до почти нуля, давая модуляционные контрасты выше 34 дБ (Рисунок 5). Независимая регулировка уровней Ферми каждого графинового слоя сдвигает резонансные позиции: уменьшение E_f2 краско-сдвигает λ₁, подавляя λ₂; увеличение E_f2 имеет противоположный эффект, позволяя переключение между двухполосной и узкополосной работой. Аналогично, настройка E_f1 сдвигает оба пика равномерно в широком спектральном диапазоне (Рисунок 6).

Изучение структурных параметров показывает, что увеличение ширины кремниевого квадрата w краско-сдвигает резонансы и сначала усиливает поглощение до насыщения коэффициента заполнения, после чего эффективность падает. Увеличение периода p также краско-сдвигает пики. Толщина спецера d₁ контролирует межслойное связывание; за критическим значением двухполосное поведение коллапсирует в одиночный пик. Замена кремния на диэлектрики с более высоким показателем преломления (TiO₂, GaSb) краско-сдвигает резонансы, но снижает пиковое поглощение (Рисунок 7).

Заключение

Мы спроектировали CMOS-совместимый, настраиваемый двухполосный КИП в среднем инфракрасном, который одновременно нечувствителен к поляризации и все-оптически управляем. Двойной слой графина в гибридном волноводе, связанный с кремниевой наноструктурой, достигает идеального поглощения на 9611 нм и 9924 нм, с фазо-зависимой модуляцией и широкой спектральной настраиваемостью через контроль уровня Ферми. Непрерывные графиновые слои сохраняют высокую подвижность и упрощают фабрикацию по сравнению с паттернированными структурами. Эта платформа открывает пути для средне-ИК фотонных устройств, таких как переключатели, логические гейты и когерентные детекторы.

Доступность данных и материалов

Все данные, сгенерированные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью.

Аббревиатуры

2D

Двумерный

CPA

Когерентный идеальный поглотитель

FDTD

Метод конечных разностей во временной области

SPPs

Поверностные плазмонно-поляритоны

TMDCs

Дихалькогениды переходных металлов