Цветовые фильтры Metasurface с использованием конфигураций алюминия и ниобата лития

Введение

В последнее время исследования метаматериалов продвинулись в направлении реализации настраиваемых метаповерхностей, которые позволяют в реальном времени контролировать их геометрические и оптические свойства, тем самым создавая исключительные возможности в области активно настраиваемых метаматериалов. Сообщается, что они охватывают видимый [1,2,3,4,5,6], инфракрасный (ИК) [7,8,9,10,11,12] и терагерцовый (ТГц) диапазон [12,13, 14,15,16,17,18,19,20,21] спектральных диапазонов. Поскольку уникальные оптические свойства метаповерхностей зависят от взаимодействия между падающим светом и наноструктурой, желаемые свойства могут быть достигнуты путем правильного подбора формы, размера и состава структуры. Метаповерхности позволили манипулировать объектами ближнего поля, что позволило реконфигурировать интригующие особенности, такие как магнитный отклик [1, 22], почти идеальное поглощение [14, 15, 23], прозрачность [17, 19], фазовая инженерия [18, 20, 21, 24], MIR-зондирование и тепловизионное изображение [10], резонансная модуляция [9] для многих типов фильтров [1,2,3,4,5] и датчиков [6,7,8, 12,13,14 ] приложений.

На сегодняшний день сообщается о множестве активных механизмов настройки для повышения гибкости метаповерхности. Большинство конструкций находятся в ИК [10,11,12, 25,26,27] и ТГц [28,29,30,31] спектральных диапазонах. Хотя были описаны различные подходы для активно настраиваемых метаповерхностей в видимом спектральном диапазоне, такие как механическое растяжение [32], электростатическая сила [33], резонанс Ми [34], жидкий кристалл [35], материал с фазовым переходом [36,37] , 38] и электрооптического материала [39, 40]. Однако количество исследований активно настраиваемых метаповерхностей в видимом спектральном диапазоне ограничено. Среди механизмов настройки электрооптических методов настраиваемая метаповерхность на основе графена в последнее время привлекает огромное внимание исследователей [41,42,43]. Кроме того, ниобат лития (LN) - один из важнейших материалов, который считается «кремнием фотоники». Методы метаповерхности на LN привлекли большое внимание из-за его широкого окна прозрачности, большого электрооптического коэффициента второго порядка до 30 пм / В и отличной совместимости с интегральными схемами фотоники [44]. Благодаря большой нелинейной восприимчивости второго порядка показатель преломления ЛН можно линейно настраивать, прикладывая к ней электрическое поле [44]. Включение LN в конструкцию метаповерхности открывает возможности для сверхчувствительных цветных фильтров с электрооптической активной перестройкой. Вышеупомянутые методы активной настройки сильно зависят от нелинейных свойств природного материала. Им часто не хватает желаемых характеристик, таких как большой диапазон настройки и однородные характеристики во всем диапазоне настройки или требуется высокое напряжение возбуждения, что серьезно ограничивает их области применения. Среди этих методов широко изучаются активно настраиваемые метаматериалы с использованием технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), поскольку геометрические характеристики метаматериала могут быть напрямую изменены [26, 29]. Настраиваемые метаматериалы на основе МЭМС часто используют резонатор Фабри-Перо (F-P), а затем изменяют зазор между двумя структурными слоями для настройки резонанса [37, 45]. Эти структуры могут обеспечивать узкую полосу поглощения или передачи с большим диапазоном настройки, что делает их желательными для приложений следующего поколения.

В этом исследовании представлены два дизайна метаповерхностных цветных фильтров (MCF). Они представляют собой настраиваемую метаповерхность на основе Al (TAM) и настраиваемую метаповерхность на основе LN (TLNM) с использованием моделирования на основе конечных разностей во временной области (FDTD) Lumerical Solution для исследования их оптических характеристик в видимом спектральном диапазоне. Направление распространения падающего света установлено перпендикулярно к x - г самолет в численном моделировании. Угол поляризации падающего света установлен как 0, и это означает, что электрический вектор колеблется вдоль x направление оси как TM поляризация. Периодические граничные условия также приняты в x и y направления, и граничные условия идеально согласованного слоя (PML) предполагаются как в z направления. Интенсивность отражения рассчитывается с помощью монитора, установленного над устройством. Предлагаемые устройства обладают активными перестраиваемыми возможностями и большими диапазонами перестройки. TAM и TLNM демонстрируют почти идеальное сверхузкополосное поглощение, охватывающее весь видимый спектральный диапазон. Для приложений измерения параметров окружающей среды TAM демонстрирует высокую чувствительность, в то время как TLNM демонстрирует высокую FOM. Эти конструкции потенциально могут быть использованы в дисплеях с высоким разрешением, датчиках показателя преломления и адаптивных устройствах в видимом спектральном диапазоне.

Конструкции и методы

На рис. 1а показаны схематические чертежи предлагаемых ТАМ и ТЛНМ. Они состоят из подвешенных прямоугольных метаповерхностей Al и эллиптических метаповерхностей LN на подложке Si, покрытой зеркальным слоем Al наверху. Зазор между нижним зеркальным слоем из алюминия и верхней метаповерхностью можно настроить с помощью технологии MEMS, чтобы сформировать полость F-P между этими двумя слоями. Соответствующие геометрические размеры - это длина прямоугольного отверстия в метаповерхности Al и две оси эллиптического отверстия в метаповерхности LN вдоль x -направление ( D _x ) и y -направление ( D _y ) периоды вдоль x -направление ( P _x ) и y -направление ( P _y ), толщина метаповерхности ( t ), а также зазор между метаповерхностью и нижним зеркальным слоем ( g ). Здесь мы определяем отношения периодов и длин прямоугольной метаповерхности Al и эллиптической метаповерхности LN вдоль x -направление и y -направление как K _x = P _x / D _x и K _y = P _y / D _y соответственно, чтобы вычислить эффективные электромагнитные отклики во всем видимом спектральном диапазоне.

а Схематические чертежи ТАМ и ТЛНМ. б - г Спектры отражения ТАМ с разными ( b ) D _x , ( c ) К _x , и ( d ) К _y значения

На рис. 1b – d показаны спектры отражения ТАМ при изменении D _x , К _x , и K _y значения соответственно. На рис. 1b параметры сохраняются такими же постоянными, как D . _y =200 нм, г =450 нм и K _x = К _y =1,2. Спектры почти идеального поглощения поддерживаются изменением D _x значения от 110 нм до 200 нм. Резонанс находится на длине волны 535 нм. На рис. 1в показаны спектры отражения ТАМ с разными K _x ценности. Остальные параметры остаются такими же постоянными, как D . _x = D _y =200 нм, г =450 нм и K _y =1,2. Резонансы практически остаются постоянными в диапазоне длин волн от 530 до 540 нм. На рис. 1г показаны спектры отражения ТАМ с разными K _y ценности. Остальные параметры остаются неизменными, как D . _x = D _y =200 нм, г =450 нм и K _x =1,2. Изменяя K _y При значениях от 1,1 до 1,5 резонансы смещены в синий цвет с изменяющимся диапазоном длин волн менее 60 нм. Эти результаты показывают, что влияние D _x , К _x , и K _y значения на резонансной длине волны ТАМ весьма незначительны, что означает, что предлагаемый ТАМ обладает высокой допуском производственных отклонений для изменений D _x , К _x , и K _y ценности. В следующих обсуждениях K _x и K _y остаются постоянными как 1,2 и D _x устанавливается равным D _y изучить возможность активной настройки предлагаемых устройств TAM и TLNM.

Результаты и обсуждения

Чтобы увеличить гибкость и применимость предлагаемого устройства, метаповерхность спроектирована так, чтобы ее можно было подвесить, чтобы оставить зазор между собой и нижним зеркальным слоем, чтобы сформировать резонатор FP, в результате чего падающий свет будет задерживаться в нем. разрыв, а затем поглощается устройством. Что касается D _y и g значения являются основными факторами, способствующими смещению резонансной длины волны, почти идеальное поглощение ТАМ может быть настроено во всем видимом спектральном диапазоне путем объединения D _y и значения g, как показано на рис. 2а. Четыре пары D _y и g значения выбраны для исследования возможности настройки ТАМ. Они ( D _y , г ) =(160 нм, 355 нм), (200 нм, 450 нм), (240 нм, 540 нм), (280 нм, 645 нм) соответственно. Составив D _y и g Значения идеального поглощения могут быть реализованы на разных длинах волн:433,9 нм, 533,5 нм, 629,8 нм и 740,9 нм. Вставленные цветные изображения на рис. 2a представляют собой соответствующие видимые цвета спектров отражения для человеческого глаза, рассчитанные с использованием функций сопоставления CIE RGB для имитации реальных цветов на поверхностях устройства. Связь резонансов и D _y Значения суммированы и показаны на рис. 2b. Резонансы линейно смещаются в красную область, охватывая весь видимый спектральный диапазон, за счет увеличения D _y значения от 150 нм до 290 нм. Соответствующий поправочный коэффициент равен 0,99401. Это показывает отличную настраиваемость для предлагаемого устройства ТАМ. Резонансная частота резонатора F-P может быть определена по [46]

а Спектры отражения ТАМ с разными D _y и g ценности. б Связь резонансов и D _y значения

где q это индекс режима, g - длина полости F-P, а c =c ₀ / n , где c ₀ скорость света в вакууме и n - показатель преломления среды. Это указывает на то, что резонансную частоту можно настроить, перемещая подвешенную метаповерхность по вертикали в предлагаемой конструкции, то есть изменяя g значение.

На рис. 3 показаны спектры отражения ТАМ при различных g значения в условиях D _y =200 нм (рис. 3а) и D _y =250 нм (рис. 3б) соответственно. На рис. 3а резонансы сдвинуты в красную область от длины волны 490 нм до 590 нм путем изменения g значения от 410 нм до 510 нм. Диапазон настройки 100 нм. Самая узкая полная ширина на полувысоте (FWHM) резонанса составляет 29,9 нм для g =470 нм. На рис. 3b резонансы сдвинуты в красную область от длины волны 580 нм до 691 нм путем изменения g значения от 490 нм до 610 нм. Диапазон перестройки 111 нм. Самая узкая полуширина резонанса составляет 31,8 нм для g =530 нм. Диапазон настройки в 2 раза больше, чем указано в ссылке [39], и лучше, чем указано в ссылках ранее [37, 38, 40]. На рис. 3c, d показаны соответствующие отношения резонансов и g значения рис. 3а, б соответственно. Резонансы линейно сдвигаются в красную область на 9,2 нм на каждые 10 нм приращения g . значение, как показано на рис. 3c, и на 9,0 нм на каждые 10 нм приращения g значение, как показано на рис. 3d. Диапазон настройки составляет 90,5 нм и 110,7 нм соответственно. Все спектры отражения являются почти идеальными абсорбциями. Соответствующие поправочные коэффициенты равны 0,99950 и 0,99969 соответственно. Такие конструкции предлагаемого ТАМ могут служить в качестве сверхчувствительного цветового фильтра или использоваться в различных приложениях зондирования.

Спектры отражения ТАМ с разными g значения в условиях a Д _y =200 нм, b Д _y =250 нм. c, d Отношения резонансов и g значения a и b соответственно

Чтобы улучшить характеристики ТАМ с точки зрения FWHM и диапазона длин волн настройки, сохраняя при этом почти идеальное поглощение, предлагается TLNM, представленный, как показано на рис. 1a. Поскольку рисунок наноструктур всегда страдает угловым эффектом и производственным отклонением, геометрический рисунок выполнен в виде эллиптического отверстия. Параметры D _x и D _y представляют длины макрооси и малой оси вдоль x- и y -направления соответственно, а K _x и K _y параметры остаются такими же постоянными, как 1,2 и D _x значение составляет 110 нм. На рисунке 4а показаны спектры отражения TLNM с четырьмя комбинациями D _y и g ценности. т значение поддерживается постоянным, равным 200 нм. TLNM демонстрирует характеристики идеального поглощения со сверхузкой полосой пропускания, охватывающей весь видимый спектральный диапазон. Значения FWHM спектров отражения составляют 3 нм. Такой сверхузкий FWHM вносит резонанс F-P, который может быть определен

а Спектры отражения ТЛНМ с разными D _y и g ценности. б Связь резонансов и D _y значения

где λ _q резонансная длина волны, индекс q - индекс режима, g - длина полости F-P, а R - коэффициент отражения поверхностей резонатора F-P между нижней метаповерхностью Al и метаповерхностью Al / LN наверху. Значение FWHM может быть уменьшено в результате более высокой интенсивности отражения TLNM, что означает, что оптические характеристики могут быть значительно улучшены за счет использования материала LN. Связь резонансов и D _y Значения на рис. 4a суммированы, как показано на рис. 4b. Резонансы линейно смещены в красную область в диапазоне от 427 нм до 673 нм за счет увеличения D _y значения от 250 нм до 500 нм, а соответствующий поправочный коэффициент равен 0,97815. Следовательно, это демонстрирует линейную настраиваемость предлагаемого устройства.

Подвешенная эллиптическая метаповерхность LN подвижна, и ее можно напрямую модифицировать для достижения оптической настройки с помощью технологии MEMS. На рис. 5а, б показаны спектры отражения ТЛНМ с разными g значения при двух условиях D _y =350 нм, t =210 нм и D _y =450 нм, t =280 нм соответственно. На рис. 5а при увеличении g значения от 390 до 570 нм, резонансы сдвинуты в красную область от 465,9 до 553,5 нм. На рис. 5b при увеличении g значения от 540 до 780 нм, резонансы сдвинуты в красную область от 613,6 до 731,2 нм. На рис. 5c, d показаны соответствующие отношения резонансов, g значения и соответствующие значения FWHM на рис. 5a, b соответственно. Резонансы смещены в красную область довольно линейно. Соответствующие поправочные коэффициенты равны 0,99864 и 0,99950 для двух случаев соответственно. В случае D _y =350 нм, t =210 нм, диапазон настройки составляет 87,6 нм, а среднее значение FWHM составляет 3 нм, как показано на рис. 5c. А в случае с D _y =450 нм, t =280 нм, диапазон настройки составляет 117,6 нм, а среднее значение FWHM составляет 4 нм, как показано на рис. 5d. Можно видеть, что самое узкое значение FWHM составляет 1,5 нм на длине волны 466 нм, как показано на фиг. 5a, и 3,2 нм на длине волны 615 нм, как показано на фиг. 5b. Их сравнивают с результатами предложенных конструкций ТАМ, значения FWHM TLNM улучшаются в 10 раз, по крайней мере, сохраняя идеальное поглощение. Это значительное улучшение оптических характеристик за счет использования метаповерхности LN. Эти результаты показывают, что TLNM потенциально может использоваться во многих приложениях, таких как сверхчувствительные цветные фильтры, поглотители, детекторы и датчики, в соответствии с такими необычными характеристиками, как сверхузкая полоса пропускания, идеальное поглощение и большой диапазон настройки.

Спектры отражения ТЛНМ. Параметры оптимизированы для максимального настраиваемого диапазона в условиях a Д _y =350 нм, t =210 нм, b Д _y =450 нм, t =280 нм. c , d Отношения резонансов, g значения и соответствующие значения FWHM a и b соответственно

Для дальнейшего изучения возможности имплантации устройств TAM и TLNM в практические приложения, например в датчики окружающей среды, они подвергаются воздействию окружающей среды с различными показателями преломления окружающей среды ( n ). На рисунке 6 показаны спектры отражения ТАМ, экспонированного в окружающей среде, с различными показателями преломления от 1,0 до 1,3. Геометрические размеры ТАМ остаются неизменными как D . _x =110 нм, D _y =200 нм и g =450 нм. Есть два резонанса, сдвинутых в красную область, с диапазоном настройки 84,6 нм ( ω ₁ ) и 172,1 нм ( ω ₂ ). Отношения резонансов и n значения приведены на рис. 6b. Чувствительность рассчитана как 246,7 нм / RIU и 481,5 нм / RIU, а соответствующие показатели качества (FOM) составляют 11 и 14 для первого резонанса ( ω ₁ ) и второй резонанс ( ω ₂ ), соответственно. Такая более высокая чувствительность обусловлена ​​узкой полушириной резонансов, составляющей 21,6 нм ( ω ₁ ) и 34 нм ( ω ₂ ). Эти характеристики вполне подходят для практических задач зондирования.

а Спектры отражения ТАМ в окружающей среде с разными показателями преломления ( n ). б Связь резонансов и n значения

Однако недостатком является то, что интенсивность отражения ω ₁ относительно высокий, а ω ₂ увеличивается до более чем 20%, поскольку n увеличивается до 1,3. Чтобы преодолеть это ограничение, TLNM разработан так, чтобы обладать стабильными оптическими свойствами благодаря характеристикам метаповерхности LN. На рисунке 7 показаны спектры отражения TLNM, экспонированных в окружающей среде с различными значениями n значения в условиях D _y =350 нм, t =210 нм, г =490 нм и D _y =450 нм, t =280 нм, г =580 нм, как показано на рис. 7а, б соответственно. На рис. 7а показаны резонансы ТЛНМ с D _y =350 нм, t =210 нм, г =490 нм смещены в красную область с диапазоном настройки 58,4 нм за счет увеличения n значения от 1.0 до 1.2. В то время как резонансы ТЛНМ в условиях D _y =450 нм, t =280 нм, г =580 нм смещены в красную область с диапазоном настройки 78,2 нм за счет увеличения n значения от 1.0 до 1.2. В этих двух случаях TLNM демонстрирует почти идеальное поглощение, при котором флуктуация интенсивности отражения составляет менее 5%. Спектры отражения более стабильны, чем у ТАМ. Отношения резонансов и n значения представлены на рис. 7c, d для двух случаев соответственно. Для условия TLNM с D _y =350 нм, t =210 нм, г =490 нм, чувствительность и среднее значение FWHM составляют 291,4 нм / RIU и 3 нм соответственно. Соответствующий FOM рассчитывается как 97, как показано на рис. 7c. Для условия TLNM с D _y =450 нм, t =280 нм, г =580 нм, чувствительность и среднее значение FWHM составляют 390,3 нм / RIU и 4 нм соответственно. Соответствующий FOM рассчитывается как 97,5, как показано на рис. 7d, что в 7 раз больше, чем у TAM, показанного на рис. 6. Это означает, что TLNM демонстрирует лучшую чувствительность для использования в приложениях датчиков окружающей среды.

Спектры отражения TLNM, экспонированных в окружающей среде, с разными показателями преломления ( n ) в условиях a Д _y =350 нм, t =210 нм, г =490 нм, b Д _y =450 нм, t =280 нм, г =580 нм. c , d Отношения резонансов, n значения и соответствующие значения FWHM, соответственно

Заключение

В заключение мы представляем две конструкции перестраиваемого высокоэффективного цветного фильтра на основе подвешенных прямоугольных метаповерхностей Al и эллиптических метаповерхностей LN на подложке Si, покрытой зеркальным слоем Al наверху. Изменяя различные композиции D _x , г , и t При значениях TAM и TLNM электромагнитные отклики могут обеспечивать идеальное поглощение со сверхвысокой эффективностью во всем видимом спектральном диапазоне. Увеличивая g значения, резонансы ТАМ и TLNM могут быть настроены на 110,7 нм и 117,6 нм соответственно. Для приложений измерения параметров окружающей среды TAM демонстрирует сверхвысокую чувствительность 481,5 нм / RIU, а TLNM демонстрирует сверхвысокое значение FOM 97,5. FWHM TLNM увеличивается максимум в 10 раз, а FOM может быть улучшен в 7 раз по сравнению с таковыми у TAM. В соответствии с вышеупомянутыми характеристиками сверхузкой полосы частот, особенно FWHM 3 нм для TLNM, идеального поглощения и большого диапазона настройки, которые редко наблюдаются в видимом спектре одновременно при имплантации метаповерхности Al или LN, это указывает на то, что предлагаемые устройства могут быть потенциально используется во многих приложениях, таких как сверхчувствительные цветные фильтры с высокой чистотой цвета, высоким разрешением для методов отображения и визуализации, высокоэффективные перестраиваемые поглотители, желательные для интегрированной оптики, датчики показателя преломления и т. д. Среди этих приложений TLNM демонстрирует производительность с более высоким FOM и более узкая FWHM, тогда как ТАМ обладает более высокой чувствительностью для датчиков показателя преломления.

Доступность данных и материалов

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

Сокращения

MCF:

Цветовые фильтры Metasurface

LN:

Ниобат лития

TAM:

Настраиваемая алюминиевая метаповерхность

TLNM:

Настраиваемая метаповерхность LN

F-P:

Фабри-Перо

FOM:

Достоинства

IR:

Инфракрасный

ТГц:

Терагерц

FDTD:

Конечная разница во временной области

PML:

Идеально подобранный слой