Transmissão de diodo óptico dicróico em duas grades metálicas paralelas deslocadas

Resumo

Uma estrutura de diodo óptico com duas grades metálicas paralelas deslocadas é proposta e investigada numericamente. A transmissão do diodo óptico dicróico é realizada nesta estrutura, isto é, o efeito do diodo óptico é observado em duas bandas de ondas correspondentes a direções de transmissão inversas. Na estrutura, duas grades metálicas paralelas com diferentes constantes de grade são separadas por uma placa dielétrica entre elas. A primeira grade iluminada atua como um seletor para excitar plasmons de superfície em um comprimento de onda adequado. A outra grade atua como um emissor para realizar a transmissão óptica. Quando a direção do incidente é invertida, os papéis de troca de duas grades e plasmons de superfície são excitados em outro comprimento de onda. Em bandas de onda de transmissão dicróica, a estrutura de diodo óptico exibe uma transmissão extraordinária e possui alto isolamento óptico de até 1. Além disso, as bandas de onda de operação podem ser moduladas alterando os parâmetros da estrutura.

Introdução

O diodo óptico, que transmite fótons em uma direção e proíbe a transmissão na direção reversa, tem atraído considerável atenção em virtude da propriedade de transmissão unidirecional [1]. O fenômeno do diodo óptico pode ser observado quando a simetria de reversão do tempo da interação luz-matéria é quebrada. O campo magnético externo [2], a tensão de polarização [3], a onda acústica [4] ou a modulação dependente do tempo [5, 6] podem ser aplicadas para obter o efeito de diodo óptico. Além disso, a estrutura de quebra de simetria de inversão espacial é uma escolha alternativa, como estruturas multicamadas assimétricas [7], cristais fotônicos assimétricos [8] e grades assimétricas [9]. Nas últimas décadas, as micro-nanoestruturas metálicas ganharam grande interesse devido às propriedades promissoras dos plasmons de superfície (SPs). Dispositivos plasmônicos são propostos em muitos campos de pesquisa, como holografia metassuperficial [10,11,12,13,14], sensor de índice de refração [15, 16] e filtro [17, 18]. Dispositivos plasmônicos podem modificar fortemente a interação de campos eletromagnéticos em nanoescala [19]. A modulação em SPs pode ser realizada através da alteração do ambiente dielétrico circundante e parâmetros geométricos de estruturas metálicas [20, 21]. Diodos ópticos compostos de estruturas metálicas em nanoescala, por exemplo, grades de camada plasmônica em sanduíche [22, 23], grades de plasmonic em cascata [24, 25], nanoholes plasmônicos [26], guia de onda de fenda plasmônica [27] e agregados de nanopartículas plasmônicas [28] , são amplamente investigados para fins de processamento óptico de informações.

Neste trabalho, a transmissão de diodo óptico dicróico é obtida em duas grades metálicas paralelas deslocadas ensanduichando uma placa dielétrica. Tanto o aumento da transmissão quanto a alta taxa de contraste de isolamento são alcançados nas duas bandas de ondas operacionais com direções de transmissão reversas, porque grades metálicas consistindo em fendas estreitas exibem transmissão de luz extraordinária [29, 30] e estruturas assimétricas realizam transmissão unidirecional [27,28,29,30 , 31]. De acordo com a ordem iluminada, duas grades metálicas com diferentes constantes de grade atuam como seletor e emissor, respectivamente. O seletor seleciona o comprimento de onda de ressonância estimulando os SPs e, com a contribuição dos SPs, o emissor realiza a transmissão da luz. Quando a direção do incidente é invertida, os papéis de troca de duas grades e SPs são estimulados em outro comprimento de onda. Portanto, a transmissão do diodo óptico dicróico é obtida. A espessura da estrutura do diodo óptico proposta neste trabalho é tão pequena quanto 160 nm. Com o desenvolvimento de tecnologias de nanofabricação, muitos métodos podem ser aplicados à fabricação de estruturas de grades metálicas, como litografia de nanoimpressão ultravioleta [32], litografia de escrita direta a laser [33] e litografia de feixe de elétrons [34]. O caráter do diodo óptico é independente da intensidade do incidente. Essas propriedades implicam que nossa estrutura tem amplos potenciais em integração óptica.

Métodos

O esquema da estrutura do diodo óptico é mostrado na Fig. 1. A estrutura consiste em duas grades de prata G ₁ e G ₂ ensanduichar uma camada de sílica. A espessura da camada de sílica é indicada como d . G ₁ e G ₂ têm a mesma largura de fenda s , a mesma espessura h , e diferentes constantes de grade Λ _i ( eu =1, 2). A estrutura é translacional simétrica e a célula unitária contém 2 unidades de G ₁ e 3 unidades de G ₂ . Δ denota a posição relativa lateral de G ₁ e G ₂ em uma célula unitária. O modelo de Drude [35] é usado para descrever a função dielétrica da prata. O índice de refração da sílica é 1,5, ignorando sua dispersão. O dielétrico circundante é o ar e seu índice de refração é 1. Onda plana normal incidente de p -polarização é empregada para investigar o efeito do diodo óptico.

Diagrama esquemático da estrutura do diodo óptico. a A célula unitária. b Visão abrangente

Transmitância T da estrutura do diodo óptico é definido como segue:
$$ T =\ frac {p_o} {p_i}, $$ (1)
onde P _i é o poder incidente e P _o é a potência de saída. T é simulado numericamente usando o método de domínio de tempo de diferença finita (FDTD) [36]. Condições de contorno periódicas são empregadas nos lados esquerdo e direito, e os limites de camada de correspondência perfeita são aplicados aos lados superior e inferior do nosso modelo de simulação. T _D e T _U representam a transmitância para incidência descendente e incidência ascendente, respectivamente. A propriedade do diodo óptico é descrita pela taxa de contraste de isolamento η :
$$ \ eta =\ frac {\ left | {T} _D \ hbox {-} {T} _U \ right |} {T_D + {T} _U}. $$ (2)
Portanto, η =1 significa o melhor desempenho de diodo óptico.

Resultados e análises teóricas

A transmitância e a taxa de contraste de isolamento da estrutura do diodo óptico são mostradas na Fig. 2. T _D é diferente de T _U quando o comprimento de onda do incidente é menor que λ _C . T _D atinge o valor máximo 0,73 e T _U é 3,7 × 10 ⁻³ em λ _D (1315 nm). Considerando que T _U atinge o valor máximo 0,82 e T _D é 3,6 × 10 ⁻⁴ em λ _U (921 nm). As taxas de contraste de isolamento em λ _D e λ _U são 0,990 e 0,999, respectivamente. A Figura 2 mostra que o efeito do diodo óptico é obtido em torno de λ _D e λ _U , e as duas bandas de onda têm direções de transmissão reversas. Nas bandas de ondas de operação de diodo dicróico, a estrutura exibe uma transmissão extraordinária.

Os espectros de transmissão e a taxa de contraste de isolamento da estrutura do diodo óptico com d =200 nm, s = h =50 nm, Λ ₁ =900 nm, Λ ₂ =600 nm, e Δ =0 nm

Para entender a transmissão do diodo óptico dicróico, a intensidade do campo elétrico | E | ² em duas bandas de ondas operacionais são simuladas. Como mostrado na Fig. 3a, d, o campo elétrico é aumentado entre duas grades quando a luz é transmitida através da estrutura de diodo óptico. Enquanto isso, a Fig. 3b, c mostra o status de bloqueio reverso. O aumento do campo eletromagnético entre duas grades é devido aos SPs em duas interfaces adjacentes de prata / sílica. Os tipos de SPs em duas grades são diferentes, os quais são classificados como SPs estruturados (SSPs) e SPs induzidos (ISPs), respectivamente. SSPs está animado e gera na primeira grade iluminada (seletor). Os ISPs são induzidos na última grade (emissor) pelo acoplamento entre os SPPs e a interface prata / sílica adjacente. Devido aos SSPs e ISPs, a luz é transmitida através da estrutura do diodo óptico.

Distribuições de intensidade de campo elétrico | E | ² para incidência descendente em λ _D =1315 nm ( a ), incidência crescente em λ _D =1315 nm ( b ), incidência decrescente em λ _U =921 nm ( c ), e incidência crescente em λ _U =921 nm ( d )

Densidade de carga superficial na interface prata / sílica e E _y componente da distribuição do campo elétrico são ilustrados na Fig. 4 para revelar as funções de acoplamento de SPs. Na Fig. 4a, G ₁ e G ₂ têm cargas opostas em suas superfícies adjacentes, o que é semelhante ao capacitor de placa plana. Sob a condição de incidência decrescente, G ₁ atua como um seletor para estimular SSPs em λ _D . A distribuição de densidade de carga superficial periódica representa que SPPs é determinado pela constante de grade de G ₁ . G ₂ suporta os ISPs induzidos por SPPs e atua como um emissor para transmissão. E _y entre G ₁ e G ₂ é aprimorado devido ao acoplamento entre SPPs e ISPs, como mostrado na Fig. 4b. Para a condição de incidente ascendente mostrada na Fig. 4c, d, G ₂ atua como o seletor e G ₁ atua como o emissor.

A densidade de carga superficial na interface prata / sílica em G ₁ e G ₂ , sob a condição de incidência decrescente em λ _D =1315 nm ( a ) e incidência crescente em λ _U =921 nm ( c ) Ey componente do campo elétrico sob a condição de incidência descendente em λ _D =1315 nm ( b ) e incidência crescente em λ _U =921 nm ( d )

Como pode ser visto na Fig. 4, o campo de transmissão é periódico e não uniforme na horizontal ( x direção do eixo). O período Λ ( Λ =2 Λ ₁ =3 Λ ₂ ) da distribuição do campo de transmissão é modulada pela estrutura integral do diodo óptico e satisfaz 2π / Λ =| g ₁ -g ₂ |, aqui g _i é o vetor de grade de G _i ( eu =1, 2). A eficiência de difração de grade é aumentada para a existência de SPs. O vetor de onda lateral κ da luz transmitida deriva da superposição de g ₁ e g ₂ :
$$ \ kappa =\ pm \ frac {2 \ pi} {\ Lambda} =\ pm \ left | {g} _1- {g} _2 \ right |, $$ (3)
E ele decide o comprimento de onda crítico λ _C ( λ _C =2π / | κ |) para T _D ≠ T _U . De acordo com a Eq. (3), λ _C é 1800 nm para a nossa estrutura mencionada acima, o que está de acordo com os resultados da simulação λ _C =1806 nm mostrado na Fig. 2. Os efeitos do diodo óptico aparecem na faixa de λ ≤ λ _C . De acordo com os resultados da simulação, o período das grades integradas (1800 nm) é maior do que os comprimentos de onda de operação do diodo (1315 nm e 921 nm). Componentes de difração de ordem múltipla podem ser obtidos com dispersão de luz das grades integradas. Assim, o campo de transmissão não é uniforme ao longo da direção paralela às grades, mesmo quando a luz é transmitida para o campo distante.

Os SSPs da grade de prata são semelhantes aos SPs na interface planar de prata / sílica, exceto que os SSPs são o modo radiativo [37], enquanto os SPs são modos completamente ligados à superfície. Os SSPs podem ser tratados como SPs na interface planar de prata / sílica, aproximadamente quando as fendas das grades são extremamente estreitas. Assim, a relação de dispersão de SSPs pode ser escrita como [38] segue:
$$ \ beta ={k} _0 \ sqrt {\ frac {\ varepsilon_m {\ varepsilon} _d} {\ varejpsilon_m + {\ varejpsilon} _d}} $$ (4)
onde k ₀ é o vetor de onda do espaço livre e ɛ _m e ɛ _d são o coeficiente dielétrico de prata e sílica, respectivamente. A relação de dispersão descrita pela Eq. (4) é ilustrado na Fig. 5. A curva de dispersão calculada usando os parâmetros do modelo Drude [35] neste artigo se encaixa bem com aquela calculada usando os conjuntos de dados de constante óptica de Johnson e Christy [39] quando a energia do fóton está abaixo de 2,75 eV ( λ > 450 nm). Na Fig. 5, as linhas tracejadas verticais vermelhas e pretas representam | g _{1 |} e | g ₂ |, respectivamente. SSPs é animado pela grade quando a condição de correspondência vetorial [40] é satisfeita:
$$ \ beta ={k} _0 \ sin \ theta \ pm {Ng} _i \ left (N =1,2,3 \ dots \ right). $$ (5)

Dispersão de SPs na interface planar de prata / sílica calculada usando o modelo Drude e dados constantes ópticos de Johnson e Christy. As linhas tracejadas verticais vermelhas e pretas representam o módulo do vetor da grade | g ₁ | e | g ₂ |, respectivamente

Para incidência normal ( θ =0 °), a primeira ordem ( N =1) a difração de uma rede tem a maior eficiência de difração, ou seja, a maior eficiência de excitação para SSPs. Portanto, a Eq. (5) é cumprido nos pontos vermelho e preto mostrados na Fig. 5:
$$ \ beta =\ mid {g} _i \ mid. $$ (6)
Na estrutura de diodo óptico, G ₁ é o seletor para estimular SSPs para incidência decrescente e G ₂ é o seletor para incidência ascendente. G ₁ e G ₂ têm constantes de grade diferentes, então SSPs são excitados em comprimentos de onda diferentes para direções de incidentes reversas. Na Fig. 5, a energia do fóton no ponto vermelho é 0,91 eV e o comprimento de onda é 1365 nm, o que corresponde a λ _D (1315 nm) mostrado na Fig. 2. Da mesma forma, a energia do fóton indicada pelo ponto preto é 1,04 eV e seu comprimento de onda é 924 nm, correspondendo a λ _U (921 nm) na Fig. 2. Como a aproximação da grade à placa, os comprimentos de onda de ressonância dos SSPs calculados usando a Eq. (4) e Eq. (6) não são exatamente iguais aos simulados usando os métodos FDTD mostrados na Fig. 2.

A equação (5) indica que o ângulo incidente θ influencia a condição de correspondência do vetor de onda da grade para SSPs. Com a mudança de θ , a taxa de contraste de transmitância e isolamento em λ _D (1315 nm) e λ _U (921 nm) são simulados e mostrados na Fig. 6a, b, respectivamente. Com θ aumentando de 0 ° a 10 °, T _D em λ _D e T _U em λ _U diminuição para o vetor de onda incompatível entre g _i e SSPs. ( T _D em λ _D diminui para 0 quando θ ≈ 40 ° e T _U em λ _U diminui para 0 quando θ ≈ 35 °.) Na faixa de ângulo incidente de 0 ° ≤ θ ≤ 5 °, T _D em λ _U e T _U em λ _D são quase 0, e η sempre se mantém maior do que 0,98 em ambos λ _U e λ _D . A Figura 6 demonstra que a estrutura exibe um bom efeito de diodo óptico em λ _D e λ _U sob incidência de pequeno ângulo.

A influência do ângulo de incidência na transmitância e taxa de contraste de isolamento em λ _D =1315 nm ( a ) e λ _U =921 nm ( b )

Investigação e discussão

Nesta seção, investigamos a influência dos parâmetros de estrutura nos espectros de transmissão e na taxa de contraste de isolamento.

A espessura do interlayer d e posição relativa lateral das grades Δ são limitados pela precisão de fabricação. A influência de d e Δ nos espectros de transmissão e as relações de contraste de isolamento são mostrados nas Figs. 7 e 8, respectivamente. A Figura 7 mostra que as bandas de onda de operação do diodo óptico exibem um ligeiro desvio para o vermelho quando d aumenta. Enquanto isso, o valor máximo de T _D diminui muito pouco, mas o valor máximo de T _U diminui significativamente. O aumento de d irá aumentar a distância de transmissão de luz através da estrutura, enfraquecer a interação eletromagnética entre G ₁ e G ₂ , e prejudicar a densidade de carga induzida na superfície do emissor. Conforme visto na Fig. 4, as cargas distribuídas nos cantos das fendas do emissor atuam como fontes de dipolos elétricos do campo de transmissão. Densidade de carga nos cantos da fenda do emissor G ₂ (Fig. 4a) é muito maior do que nos cantos da fenda do emissor G ₁ (Fig. 4c), então d influencia menos no valor máximo de T _D do que o de T _U . Além disso, com o aumento de d , pequenos picos marcados como FP ₁ e FP ₂ aparecer em T _U e o pico de transmissão de FP ₁ exibe um grande redshift. Intensidade de campo elétrico | E | ² distribuições provam que FP ₁ e FP ₂ resultado das ressonâncias de Fabry-Perot.

A influência de d nos espectros de transmissão e na taxa de contraste de isolamento. d =220 nm ( a ), d =240 nm ( b ) e d =260 nm ( c ) quando s = h =50 nm, Λ ₁ =900 nm, Λ ₂ =600 nm, e Δ =0 nm. As inserções são distribuições de intensidade de campo elétrico | E | ² para ressonâncias de transmissão para cima

A influência de Δ nos espectros de transmissão e na taxa de contraste de isolamento. Δ =50 nm = Λ ₂ / 12 ( a ), Δ =100 nm = Λ ₂ / 6 ( b ) e Δ =150 nm = Λ ₂ / 4 ( c ) quando d =200 nm, s = h =50 nm, Λ ₁ =900 nm, e Λ ₂ =600 nm. As inserções em ( b ) são E _y distribuições para ressonâncias de transmissão ascendente

Conforme mostrado na Fig. 1, a estrutura do diodo óptico é periódica e tem a mesma célula unitária quando Δ =a ± M Λ ₂ / 2 (0 nm < a < Λ ₂ / 2 e M =0, 1, 2 ...). Além disso, a célula unitária de Δ = a é simétrico para a esquerda para a direita com o de Δ = - a ± M Λ ₂ / 2 e eles podem realizar o mesmo efeito de transmissão. Assim, a transmitância da estrutura do diodo óptico é afetada por Δ como: T ( Δ ) = T ( Δ + Λ ₂ / 2) =T (- Δ + Λ ₂ / 2). Como mostrado na Fig. 8, efeito de diodo óptico em λ ~ 921 nm liga e desliga dentro de um período de Λ ₂ / 2 como Δ aumenta. No entanto, pico de transmissão de T _D exibe um leve blueshift e o efeito de diodo óptico em λ ~ 1315 nm está sempre ligado quando Δ aumenta. Visto na Fig. 8a, um novo pico de transmissão em λ _N surge em T _U curva perto de λ _U . Quando Δ aumenta de Λ ₂ / 12 a Λ ₂ / 6, o pico em λ _N exibe um blueshift enquanto o pico em λ _U exibe um desvio para o vermelho (Fig. 8a, b). E _y distribuições para ressonâncias de transmissão em λ _U e λ _N são inseridos na Fig. 8b. De acordo com os resultados da simulação, a ressonância em λ _N gera por causa da divisão de energia. Quando Δ aumenta para Λ ₂ / 4, mostrado na Fig. 8c, T _U é suprimido e duas ressonâncias de transmissão desaparecem, o que faz o efeito do diodo óptico desligar em λ ~ 921 nm.

De acordo com a análise teórica, a banda de onda operacional do diodo óptico pode ser obtida em uma determinada faixa otimizando os parâmetros da rede. A Figura 9 mostra que a transmissão do diodo óptico dicróico é obtida na faixa de luz visível com parâmetros de estrutura d =100 nm, Λ ₁ =450 nm, Λ ₂ =300 nm, s = h =30 nm, e Δ =0 nm. As transmitâncias máximas de bandas de onda de transmissão de diodo dicróico são 80% (em 522 nm para incidência ascendente) e 71% (em 732 nm para incidência descendente), e as taxas de contraste de isolamento correspondentes η são 0,998 e 0,993.

Espectros de transmissão e relação de contraste de isolamento para a estrutura de diodo óptico com d =100 nm, Λ ₁ =450 nm, Λ ₂ =300 nm, s = h =30 nm, e Δ =0 nm

Além disso, o componente da célula unitária em nossa estrutura também influencia o fenômeno do diodo óptico. De acordo com a Eq. (5), as bandas de onda do efeito do diodo dependem de Λ ₁ e Λ ₂ . Em nossa pesquisa, selecionamos a célula unitária que consiste em 2 unidades de G ₁ e 3 unidades de G ₂ , ou seja, 2 Λ ₁ =3 Λ ₂ , para obter altas transmitâncias e boas taxas de contraste de isolamento nas bandas de onda de diodo óptico simultaneamente. Por exemplo, a Fig. 10 mostra a transmissão dicróica da estrutura do diodo óptico com sua célula unitária consistindo de 3 unidades de G ₁ e 4 unidades de G ₂ . Os efeitos do diodo óptico são obtidos a 530 nm com T _U =72% e 659 nm com T _U =76%. As taxas de contraste de isolamento nos dois comprimentos de onda são reduzidas para 0,912 e 0,987, porque a diferença de | g ₁ | e | g ₂ | é pequeno e a grade atuando como um seletor pode excitar os SSPs de ambas as grades com diferentes eficiências. Além disso, quando Λ ₁ =2 Λ ₂ , a ressonância de transmissão dos SPs na estrutura do diodo óptico causada pela difração de primeira ordem de G ₂ também pode ser excitado pela difração de segunda ordem de G ₁ para 2 g ₁ = g ₂ , o que reduziria a taxa de contraste de isolamento. Portanto, a boa propriedade do diodo óptico requer que duas constantes de grade tenham uma diferença suficiente e evitem o relacionamento múltiplo inteiro.

Os espectros de transmissão e a relação de contraste de isolamento para a estrutura de diodo óptico com a célula unitária, incluindo 3 unidades de G ₁ e 4 unidades de G ₂ . d =100 nm, Λ ₁ =400 nm, Λ ₂ =300 nm, s = h =30 nm, e Δ =0 nm

Conclusões

A transmissão de diodo óptico dicróico baseada em SPs é realizada em nossa estrutura, que consiste em duas grades de prata paralelas deslocadas e uma camada intermediária de sílica. A primeira grade metálica iluminada seleciona a banda de transmissão por SSPs excitantes, e a outra grade metálica emite energia eletromagnética através das oscilações de elétrons superficiais. Quando a direção incidente da luz é invertida, os papéis de duas grades trocam e outra faixa de onda de transmissão de diodo óptico aparece. A taxa de isolamento óptico pode quase chegar a 1. As bandas de onda de transmissão de diodo óptico podem ser ajustadas para estar em diferentes regiões, alterando os parâmetros da estrutura. As bandas de onda de operação do diodo óptico e a transmitância são independentes da intensidade do incidente. A espessura da estrutura é de apenas algumas centenas de nanômetros. Essas propriedades de nossa estrutura fornecem uma ampla gama de aplicações em circuitos integrados.

Abreviações

ISPs:: Plasmões de superfície induzidos.
SPs:: Plasmões de superfície
SSPs:: Plasmões de superfície estruturados

Fabricação de hidrogéis compostos de poli (ácido acrílico) / nitreto de boro com excelentes propriedades mecânicas e autocura rápida por meio de interações físicas hierárquicas Decoração de Nanovesículas com Peptídeo de Inserção de pH (Baixo) (pHLIP) para Entrega Almejada

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias