Двухрежимная модуляция включения-выключения плазмонно-индуцированной прозрачности в графеновых терагерцовых метаповерхностях

Аннотация

Демонстрирован настраиваемый эффект плазмонно-индуцированной прозрачности (PIP) в структурированной графеновой метаповерхности, состоящей из чередующихся лент и полос. Моделирование методом конечных разностей во временной области (FDTD) и теория связанных мод (CMT) показывают, что два независимых затворных напряжения могут селективно подавлять левый или правый провалы пропускания, реализуя двухрежимный модулятор «включение-выключение». Структура одновременно обеспечивает 50 % поглощение и групповую задержку 0,7 пс, что подчеркивает её перспективность для ТГц-поглотителей и устройств замедленного света. Детальное изучение связи проясняет роль геометрии, предоставляя универсальную платформу для многофункциональных модуляторов.

Введение

Поверхностные плазмонно-поляритоны (SPP) обеспечивают субдлинноволновое замыкание и сильное усиление ближнего поля, делая их незаменимыми для интегрированной фотоники. В то время как металлические SPP страдают от внутренних потерь, однослойный графен предлагает низкопотерьные, настраиваемые плазмонные моды в среднекрасном и ТГц диапазонах. Плотность носителей в графене может модулироваться электростатическим затвором, обеспечивая динамический контроль оптического отклика без необходимости структурной переконфигурации.

Плазмонно-индуцированная прозрачность (PIP) возникает в результате деструктивной интерференции между яркой (суперрадиантной) и темной (субрадиантной) модами. В графеновых метаповерхностях PIP наблюдалась в однослойных лентах, многослойных структурах и гибридных системах. Однако большинство конструкций допускают только одномодовую настройку, обычно путем сдвига ферми-уровня, и не имеют эффективного переключения пика пропускания в режиме «включение-выключение».

Здесь предлагается графеновая метаповерхность, состоящая из периодически расположенных лент и полос на кремниевом подложке. Два независимых затворных электрода независимо регулируют ферми-уровни лент и полос, обеспечивая двухрежимное управление PIP. Конструкция совместима с графеном, выращенным методом ХОФ, и простыми процессами переноса, гарантируя высокую выходную продукцию и низкое поверхностное сопротивление.

Методы

Элементарная ячейка метаповерхности (рис. 1c) содержит графеновую ленту (длина 6 мкм, ширина 4 мкм) и графеновую полосу (длина 2,9 мкм, ширина 0,8 мкм), разделенные расстоянием d = 0,8 мкм и смещенные боково на S = 1,55 мкм. Кремниевое подложка (толщина 300 нм) обеспечивает диэлектрическое окружение. Затворные напряжения Vg1 (ленты) и Vg2 (полосы) настраивают соответствующие ферми-энергии согласно уравнению (1), где параметры — приведенная постоянная Планка, ферми-скорость и диэлектрические постоянные. Плотности носителей до 4×10¹⁸ м⁻² (E_f ≈ 1,17 эВ) достигнуты экспериментально. Оптическая проводимость доминирует внутризонный член (уравнение 6) с τ = μE_f/(ev_F²) и подвижностью μ 1–3 м² В⁻¹ с⁻¹. Константа распространения β следует из соотношения дисперсии графеновых SPP (уравнение 7). Полноволновая задача решается методом FDTD (CST Microwave Studio), а спектры аппроксимируются CMT (уравнения 13–15) для извлечения добротностей и коэффициентов связи.

Результаты и обсуждение

Моделируемое пропускание (рис. 2a) показывает одномодовый яркий резонанс в полосе (провал ≈ 7,9 %) и темную моду в ленте (пик ≈ 1,0). При совместном присутствии обоих элементов пик PIP достигает 88,6 % благодаря интерференции. Карты электрического поля подтверждают локализацию поля на ленте и полосе, объясняя повышение добротности.

Двухрежимное переключение «включение-выключение» достигается изменением Vg1 или Vg2. Фиксируя ферми-уровень полосы на 1,0 эВ и меняя ленту от 0,6 до 1,2 эВ, левый провал углубляется (включение→выключение) и смещается в синюю область (≈ 0,3 ТГц). Обратно, изменение полосы при фиксированной ленте дает аналогичный эффект на правом провале. Порог переключения (пропускание = 0,3) достигается между 0,8 и 1,0 эВ для обоих режимов, обеспечивая независимое управление.

Спектры поглощения (рис. 4) показывают пик 50 % даже при низких ферми-уровнях благодаря увеличенным внутренним потерям. Синие смещения сопровождают более высокие плотности носителей. Аппроксимации CMT совпадают с кривыми FDTD, подтверждая валидность двухосцилляторной модели.

Повышение подвижности графена от 1 до 3 м² В⁻¹ с⁻¹ оostraет провалы PIP, сужает полосу на 3 дБ и повышает групповую задержку до 0,7 пс (рис. 5). Отрицательная групповая задержка в провалах указывает на поведение быстрого света. Фазовый отклик также масштабируется с подвижностью.

Геометрическая настройка (рис. 6) показывает, что расстояние связи d в основном влияет на левый провал, а ширина и длина полосы влияют на добротность и спектральное разделение. Боковое смещение S незначительно влияет при x-поляризованном падании.

Заключение

Показано, что графеновая метаповерхность с независимо затворимыми лентами и полосами поддерживает настраиваемый резонанс PIP, который можно включать или выключать в двух отдельных частотных диапазонах. Устройство одновременно достигает высокого поглощения (≈ 50 %) и значительной задержки замедленного света (0,7 пс). Настройка геометрии и подвижности носителей позволяет адаптировать спектральное положение, глубину и качество PIP, предлагая универсальную платформу для ТГц-модуляторов, поглотителей и линий задержки.