Transparência induzida por plasma em uma estrutura Bowtie assimétrica

Resumo

A transparência induzida por plasma é uma maneira eficiente de imitar a transparência induzida eletromagneticamente, que pode eliminar o efeito opaco do meio para a propagação da onda eletromagnética. Propusemos uma estrutura de laço assimétrico acoplado ao lado da abertura para realizar a transparência induzida por plasmon no chip na banda de comunicação óptica. A transparência induzida por plasmon resulta do forte acoplamento entre os ressonadores triangulares de gravata borboleta desafinada. Qualquer um dos ressonadores funciona como uma cavidade de Fabry-Perot com dimensões compactas. O comprimento de onda do pico transparente pode ser facilmente controlado devido à sua forte relação linear com a altura do ressonador. A relação entre o vale de absorção e o pico transparente pode ser superior a 10 dB. Além disso, com excelente linearidade de deslocamento do comprimento de onda para índice do material de detecção, o dispositivo possui ótimo desempenho de detecção e imunidade aos desvios da estrutura.

Histórico

Efeito de transparência induzida eletromagneticamente (EIT), que resulta da interferência destrutiva quântica entre duas vias em sistemas atômicos de três níveis [1, 2], mostra aplicações potenciais tremendas em propagação de luz lenta [3, 4], óptica não linear [5] e armazenamento óptico [6]. Em um sistema EIT, o efeito de interferência quântica reduz a absorção de luz em uma região espectral estreita, surgindo uma ressonância nítida de transmissão quase perfeita dentro de um perfil de absorção amplo [7]. No entanto, o efeito EIT é muito sensível ao alargamento devido ao movimento atômico. A realização do efeito EIT requer lasers de gás estáveis e ambientes rigorosos, o que dificulta suas aplicações práticas. Recentemente, foram propostos tipos de configurações para imitar a transmissão do tipo EIT sem a demanda de condições experimentais rigorosas, incluindo micro-ressonadores acoplados [8,9,10,11,12], anel dividido e metamateriais [13,14, 15,16] composto de materiais dielétricos e metálicos. Entre eles, a EIT baseada em metamaterial com padrões de unidade periódicos requer um incidente de luz de sinal excitado na direção não paralela à superfície do chip. Com a luz de sinal excitada incidente na direção paralela à superfície do chip, os micro-ressonadores acoplados são notáveis para atender aos requisitos de aplicações de integração no chip de transmissão do tipo EIT. Para reduzir ainda mais a pegada dos dispositivos de EIT, a transparência induzida por plasmon (PIT) foi proposta como um análogo ao EIT clássico com forte confinamento óptico além do limite de difração para ondas eletromagnéticas [17,18,19]. Plasmões de superfície são oscilações opticamente induzidas dos elétrons livres na interface de metal / dielétrico exibindo forte confinamento óptico e componentes fotônicos miniaturizados [20, 21]. Recentemente, guias de ondas de metal / isolador / metal (MIM) com confinamento óptico extremamente alto e espaçamento mais próximo aos guias de ondas adjacentes é um guia de onda em nanoescala muito promissor que é capaz de superar o limite de difração e tem diversas aplicações de sensores plasmônicos [22], acopladores [ 23] e filtros [24]. Portanto, a transmissão PIT baseada em MIM tem um enorme potencial em aplicações on-chip de comunicações ópticas, processamento óptico de informações e óptica não linear.

Aqui, propomos uma nova estrutura de ressonadores desafinados para obter transmissão PIT em guias de onda MIM. O dispositivo com estrutura plana é composto por dois ressonadores triangulares desafinados e um guia de ondas de barramento, formando uma estrutura tipo bowtie assimétrica para possibilitar o efeito PIT. Devido à resposta sensível e linear de comprimento de onda de pico transparente para parâmetros estruturais e meio dentro do guia de onda, o dispositivo proposto permite a detecção de índice de refração com base em PIT. Com uma estrutura compacta e fácil de fazer, o dispositivo pode ser de grande importância nas integrações fotônicas no chip.

Métodos

O esquema da estrutura da gravata borboleta assimétrica é representado na Fig. 1, onde o material de fundo em azul é prata, cuja permissividade é descrita pelo modelo Drude de \ ({\ varepsilon} _r ={\ varepsilon} _ {\ infty} - {\ omega} _p ^ 2 / \ left ({\ omega} ^ 2 + j \ gamma \ omega \ right) \), com ε _∞ =3,7, ω _p =9,1 eV e γ =0,018 eV. Os parâmetros adotados aqui na equação acima se ajustam aos dados experimentais nas frequências de comunicação óptica [25]. Todos os guias de onda MIM são preenchidos por ar. A longa faixa no centro da estrutura é o guia de ondas do ônibus para a transmissão de luz. Em ambos os lados do ônibus, os guias de ondas são os ressonadores da gravata borboleta. Os ressonadores de gravata borboleta são assimétricos com parâmetros estruturais desafinados, como altitude e ângulo, sendo denotados por H _u , H _d , θ ₁ e θ ₂ . Os vórtices dos triângulos na gravata borboleta estão no meio do guia de ondas do ônibus. Portanto, os ressonadores de gravata borboleta têm pequenas conexões com o guia de ondas do barramento, permitindo um acoplamento eficiente entre eles. A largura dos guias de ondas do barramento é fixada em 100 nm e o comprimento do guia de ondas do barramento não tem efeito no espectro de transmissão do PIT, exceto para perda de transmissão. Assim, seu comprimento é fixado em 1 µm considerando a compactação e integração. Duas grades em ambas as extremidades do guia de onda do barramento são para injetar uma fonte de luz de banda larga ou varredura de comprimento de onda e coletar o espectro de transmissão. O espectro de transmissão foi calculado numericamente usando o método dos elementos finitos com condições de contorno de espalhamento. Na simulação numérica, uma onda plana foi injetada a partir da grade esquerda do guia de ondas do barramento por uma porta para excitar os modos TM fundamentais dos SPs. A luz transmitida foi coletada da grade direita do guia de ondas do ônibus, que é definido como T = P _fora / P _em , onde P _em =∫ P oavzd S ₁ e P _out =∫ Poavzd S ₂; Poavz é o z componente do fluxo de potência médio ao longo do tempo. Os espectros de transmissão da estrutura são obtidos pela varredura paramétrica do comprimento de onda de entrada. Esta estrutura de gravata borboleta assimétrica pode ser fabricada pelas seguintes etapas:primeiro, deposite um filme de Ag com uma espessura de 500 nm em um substrato de sílica / silício; a seguir, depositar um filme de sílica com espessura de 500 nm; por último, fabrique o padrão necessário, incluindo grades por EBL e gravura. O esquema de acoplamento de abertura proposto tem potencialmente menos requisitos de fabricação rigorosos do que dispositivos baseados em acoplamento evanescente e pode ser usado para alcançar um acoplamento eficiente em outras estruturas plasmônicas MIM importantes.

Diagrama esquemático da estrutura assimétrica da gravata borboleta

Resultados e discussão

Ao contrário dos ressonadores retangulares normais, os ressonadores triangulares na gravata borboleta são determinados não apenas pelo comprimento lateral, mas também pelos ângulos. Assim, primeiro investigamos o impacto do ângulo conectado ao guia de ondas da barra nas propriedades de transmissão e ressonância da estrutura proposta com um único ressonador triangular. Os espectros de transmissão do ressonador triangular único são mostrados na Fig. 2. Todas as alturas do ressonador são fixadas em 0,8 μm. O ângulo superior do ressonador triangular é conectado ao guia de ondas do barramento, permitindo a energia eletromagnética acoplada de lado do guia de ondas do barramento ao ressonador triangular. Assim, os vales de transmissão profundos aparecem nos espectros da Fig. 2. Essa quantidade, largura de banda e comprimentos de onda do vale são determinados pelos parâmetros estruturais do ressonador. Para o ângulo de 20 °, existem dois vales de transmissão profundos no espectro. O vale ressonante no comprimento de onda mais longo é de ordem 0 e ordem 0 nas direções longitudinal e horizontal, respectivamente. Com o comprimento de onda decrescente, a altura do ressonador permite mais um nó de onda estacionária, que é de 1ª ordem na direção longitudinal. A situação para o ângulo de 40 ° é semelhante à de 20 °. Conforme o ângulo aumenta, mais um vale ressonante surge no espectro. O ângulo maior faz com que a distribuição modal seja dividida na direção horizontal, formando um modo de alta ordem de 1ª ordem na direção horizontal. Para um ângulo maior de 80 °, o modo de L:0ª ordem se divide na direção horizontal formando L:1ª; H:1º modo. Assim, o ângulo crescente resulta no deslocamento do comprimento de onda e na divisão da distribuição modal em uma direção horizontal formando modos de alta ordem. O deslocamento do comprimento de onda não tem relações diretas com o ângulo, porque a variação do ângulo também altera o comprimento do lado. Assim, para manter as propriedades ressonantes estáveis, pequenos ângulos são preferidos.

Espectros de transmissão do único ressonador triangular para ângulos de 20 ° ( a ), 40 ° ( b ), 60 ° ( c ), e 80 ° ( d ) As inserções são o campo magnético H _z correspondendo aos comprimentos de onda ressonantes

A altura do ressonador é o parâmetro chave para as propriedades ressonantes. Os espectros de transmissão do dispositivo com um único ressonador triangular para altura do ressonador variando de 0,8 a 1,1 µm são mostrados na Fig. 3a. Um ângulo de cavidade de 40 ° foi selecionado durante a simulação. Dentro da faixa de comprimento de onda de 1,2 a 1,8 μm, cada um dos espectros tem um único mergulho, ou seja, o vale ressonante. Todas as transmissividades do vale estão em torno de 0,1. Como a distribuição eletromagnética de H _z nos comprimentos de onda ressonantes e não ressonantes mostrados nas inserções da Fig. 3a, a maioria dos pares de energia eletromagnética no ressonador triangular no comprimento de onda ressonante, enquanto a maioria dos outros comprimentos de onda da luz de banda larga injetada são transmitidos através do guia de ondas do barramento. Com a altura incremental, o comprimento de onda do vale exibe um comportamento de desvio para o vermelho. Conforme mostrado na Fig. 3b, o comprimento de onda de deslocamento é proporcional à altura com excelente linearidade. A mudança do comprimento de onda ressonante pode ser explicada através da condição de onda estacionária Nλ _N =2 n _g L , N =(1, 2, 3 ...). Para um N específico , a altura maior do ressonador triangular causa o deslocamento para o vermelho do comprimento de onda ressonante, enquanto a altura menor causa o deslocamento para o azul do comprimento de onda ressonante. Para ângulos diferentes, a relação entre o comprimento de onda ressonante e a altura permanece semelhante, o que torna a fabricação viável sem requisitos rígidos.

Propriedades de transmissão do único ressonador triangular . a Espectros de transmissão do único ressonador triangular para alturas variáveis. b Dependência do comprimento de onda ressonante na altura para ângulos de 40 °, 60 ° e 80 °. As inserções são o campo magnético H _z correspondendo aos comprimentos de onda ressonantes e não ressonantes

Para realizar a transmissão PIT, é necessário um forte acoplamento entre ressonadores duplos com comprimento de cavidade ligeiramente desafinado. A estrutura de gravata borboleta assimétrica proposta, composta por ressonadores triangulares com alturas ligeiramente desafinadas, permite um forte acoplamento entre os ressonadores. Ao ajustar as alturas dos ressonadores triangulares duplos, um pico de transmissão transparente aparecerá na banda proibida do ressonador único. Conforme mostrado na Fig. 4a, o ângulo de 20 ° foi selecionado para manter apenas um vale dentro da faixa de comprimento de onda e as alturas foram finamente selecionadas para fazer a banda de transmissão PIT localizar em torno de 1,55 μm para aplicações em comunicações ópticas. O espectro de transmissão do ressonador único com uma altura de 0,93 μm é representado como a linha vermelha tracejada. Seu vale localiza-se a 1,47 μm. Para introduzir a diferença estrutural junto com a diferença de vale, o ressonador único com uma altura de 1,02 μm é empregado para emparelhar o ressonador anterior. O espectro é representado como a linha tracejada azul e seu vale está localizado em 1,61 μm. Então, a energia eletromagnética dentro dos ressonadores emparelhados se acopla fortemente, formando um espectro de transmissão com dois vales profundos e um pico transparente, que é representado como a linha sólida preta. O pico transparente fica no centro entre os dois vales profundos, o que era uma faixa proibida para ressonadores únicos. Como as inserções mostram, no primeiro vale, a maior energia eletromagnética acopla-se ao ressonador sob o guia de ondas do barramento, em vez do ressonador superior. No segundo vale, a principal energia eletromagnética se acopla ao ressonador superior. Eles são muito semelhantes aos de ressonadores simples. No pico transparente, cerca de 75% da energia eletromagnética é transmitida através do guia de ondas do barramento, e apenas uma pequena parte da energia se acopla aos ressonadores de gravata borboleta assimétricos, formando uma banda transparente para a propagação da energia eletromagnética. Deve-se notar que o PIT também pode ser obtido em uma estrutura de gravata borboleta assimétrica com diferentes ângulos. No entanto, o comprimento de onda do vale junto com o comprimento de onda do pico não varia monotonicamente com o ângulo, levando a um controle muito difícil do pico transparente. Além disso, como mencionado na seção acima, o ressonador com ângulos maiores dá origem à ressonância multimodo, que é prejudicial ao controle do efeito PIT. Portanto, apenas o PIT induzido pela diferença de altura é elaborado neste artigo. O efeito PIT na estrutura de gravata borboleta assimétrica proposta é sensível à altura. Para manter o pico transparente no comprimento de onda das comunicações ópticas, vários conjuntos de valores de altura com diferença de altura de 30 a 190 nm são selecionados para investigar o impacto da diferença de altura no efeito PIT. Conforme mostrado na Fig. 4b, ao selecionar precisamente os conjuntos de valores de altura do ressonador, o pico transparente pode ser mantido em 1,55 μm. A proporção máxima de pico transparente para vale de absorção pode ser superior a 10 dB. A largura e a transmitividade têm uma relação positiva com a diferença de altura. Na Fig. 4c, a largura total na metade do máximo (FWHM) da banda transparente é proporcional à diferença de altura com um comportamento aproximadamente linear, que é consistente com o comportamento na Fig. 3b. Devido à existência de dissipação metálica, a transmissão totalmente transparente do efeito PIT não é prática. O pico de transmitividade aumenta primeiro rapidamente com o aumento da diferença de altura e, em seguida, tende a ficar estável acima de 0,8.

Transmissão PIT da estrutura assimétrica da gravata borboleta. a Espectro de transmissão PIT. b Espectros de transmissão PIT para diferença de altura variável. c FWHM e transmitividade de pico como funções de diferença de altura

Conforme elaborado nas seções acima, o vale e o pico transparente são determinados pelos parâmetros estruturais e material médio dentro do ressonador e do guia de ondas do barramento. Portanto, o sensoriamento baseado em PIT na estrutura de gravata borboleta assimétrica proposta é viável. Anteriormente, o guia de ondas do barramento e os ressonadores são preenchidos com ar, o que significa vazio e podem ser utilizados como recipiente para líquido. Na simulação, o guia de ondas do barramento e os ressonadores são preenchidos por líquido. Seu índice de refração varia de 1,30 a 1,40, cobrindo diversos líquidos comuns de água, acetona, álcool metílico, álcool etílico, álcool propílico, solução de glicose, etc. [26]. Conforme mostrado na Fig. 5a, o pico transparente se comporta como desvio para o vermelho com o aumento do índice de refração do líquido. Cada pico pode ser obviamente distinguido e a transmissividade de pico quase se mantém estável. Na Fig. 5b, as funções de comprimento de onda de pico como o índice de refração para diferenças de altura de 50 nm, 70 nm, 90 nm, 120 nm e 150 nm são diretamente proporcionais. O deslocamento do comprimento de onda tem excelente linearidade. As sensibilidades calculadas para as diferenças de altura são todas aproximadamente iguais a 1140 nm / RIU, e a resolução de detecção correspondente é 8,8 × 10 ⁻⁵ RIU. Portanto, o sensor assimétrico com base em PIT de gravata borboleta tem sensibilidade muito alta e excelente imunidade a desvios de fabricação.

Propriedades de detecção baseadas em PIT. a Espectros de transmissão de diferença de altura de 90 nm para índice de refração variando de 80 a 120 nm. b Dependência do comprimento de onda de pico no índice de refração para diferentes diferenças de altura

Conclusões

Propusemos uma estrutura de gravata borboleta assimétrica para realizar o efeito PIT. As propriedades de transmissão de ressonadores com diferentes parâmetros estruturais foram calculadas numericamente usando o método dos elementos finitos. Através do forte acoplamento entre os ressonadores triangulares desafinados, a faixa de transmissão transparente pode ser obtida na faixa proibida de ressonadores simples. Com todas as três dimensões menores que o comprimento de onda do espaço livre, o dispositivo tem uma estrutura simples e ultracompacta. O dispositivo também tem excelente imunidade a desvios de fabricação, tornando-o fácil de fazer sem requisitos rigorosos. Além disso, a propriedade de detecção baseada em PIT foi demonstrada usando a estrutura de gravata borboleta assimétrica proposta. O dispositivo pode atingir uma sensibilidade máxima de 1140 nm / RIU; a resolução de detecção correspondente é 8,8 × 10 ⁻⁵ RIU. A sensibilidade tem excelente linearidade e consistência para variação de diferença de altura. Assim, nossa estrutura de gravata borboleta assimétrica proposta fornece uma nova plataforma para dispositivos do tipo EIT on-chip e sensores de índice de refração.

Disponibilidade de dados e materiais

O conjunto de dados está disponível sem restrições.

Abreviações

EIT:: Transparência induzida eletromagneticamente
FWHM:: Largura total pela metade no máximo
MIM:: Metal-isolante-metal
PIT:: Transparência induzida por plasma

Eletrônica vestível em forma de fio totalmente elástica com base em borracha para coleta de energia por movimento humano e rastreamento biomecânico autônomo Microestrutura controlada e propriedades mecânicas de compósitos de nanocarbono à base de Al2O3 fabricados pelo método de montagem eletrostática

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

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