Diodo Óptico Dicroico de Alta Eficiência Usando Gratings Metálicos Duplos Deslocados

Resumo

Estrutura diodo óptico com duas gratings metálicas paralelas deslocadas é proposta e investigada numericamente. Transmissão diodo óptico dicroico realizada nesta estrutura, i.e., efeito diodo óptico observado em duas bandas onda correspondentes direções transmissão inversas. Na estrutura, duas gratings metálicas paralelas com diferentes constantes grating separadas por camada dielétrica entre elas. Primeira grating iluminada atua como seletor excitando plasmons superfície comprimento onda adequado. Outra grating atua como emissor realizar transmissão óptica. Quando direção incidência invertida, papéis duas gratings trocam e plasmons superfície excitados outro comprimento onda. Em bandas onda transmissão dicroica, estrutura diodo óptico exibe transmissão extraordinária possui alto isolamento óptico até 1. Além disso, bandas onda operação podem ser moduladas alterando parâmetros estrutura.

Introdução

Diodo óptico, que transmite fótons direção única proíbe transmissão direção reversa, atraiu atenção considerável pela propriedade transmissão unidirecional [1]. Fenômenos diodo óptico observados quando simetria reversão temporal interação luz-matéria quebrada. Campo magnético externo [2], viés tensão [3], onda acústica [4], modulação tempo-dependente [5, 6] podem ser aplicados alcançar efeito diodo óptico. Além, estrutura quebra simetria inversão espacial alternativa, como estruturas multicamadas assimétricas [7], cristais fotônicos assimétricos [8], gratings assimétricos [9]. Décadas recentes, estruturas metálicas micro-nano ganharam grande interesse devido propriedades promissoras plasmons superfície (SPs). Dispositivos plasmonicos propostos muitos campos pesquisa como holografia metasuperfície [10,11,12,13,14], sensor índice refração [15, 16], filtro [17, 18]. Dispositivos plasmonicos podem modificar fortemente interação campos eletromagnéticos nanoescala [19]. Modulação SPs realizada através alteração ambiente dielétrico circundante parâmetros geométricos estruturas metálicas [20, 21]. Diodos ópticos compostos nanoestruturas metálicas, por exemplo, gratings sanduíche camada plasmonica [22, 23], gratings plasmonicas cascata [24, 25], nanofuros plasmonicos [26], guia onda slot plasmonico [27], agregados nanopartículas plasmonicas [28], amplamente investigados propósito processamento informação óptica.

Neste artigo, transmissão diodo óptico dicroico obtida duas gratings metálicas paralelas deslocadas sanduíche camada dielétrica. Ambos realce transmissão alto razão contraste isolamento alcançados duas bandas onda operação direções transmissão reversas, porque gratings metálicas consistindo fendas estreitas exibem transmissão extraordinária luz [29, 30] estruturas assimétricas realizam transmissão unidirecional [27,28,29,30,31]. Segundo ordem iluminada, duas gratings metálicas diferentes constantes grating atuam seletor emissor respectivamente. Seletor seleciona comprimento onda ressonância excitando SPs e, contribuição SPs, emissor realiza transmissão luz. Quando direção incidência invertida, papéis duas gratings trocam SPs excitados outro comprimento onda. Portanto, transmissão diodo óptico dicroico obtida. Espessura estrutura diodo óptico proposta este artigo tão pequena quanto 160 nm. Com desenvolvimento tecnologias nanofabricação, muitos métodos podem aplicados fabricação estruturas gratings metálicas, como litografia nanoimprint ultravioleta [32], litografia laser-direct-writing [33], litografia feixe elétrons [34]. Caráter diodo óptico independente intensidade incidência. Estas propriedades implicam nossa estrutura potenciais extensos integração óptica.

Métodos

Esquema estrutura diodo óptico mostrado Fig. 1. Estrutura consiste duas gratings prata G₁ G₂ sanduíche camada sílica. Espessura camada sílica denotada d. G₁ G₂ mesma largura fenda s, mesma espessura h, diferentes constantes grating Λᵢ (i = 1, 2). Estrutura simétrica translacional célula unidade contém 2 unidades G₁ 3 unidades G₂. Δ denota posição lateral relativa G₁ G₂ célula unidade. Modelo Drude [35] usado descrever função dielétrica prata. Índice refração sílica 1,5, ignorando dispersão. Dielétrico circundante ar índice refração 1. Onda plana incidência normal p-polarização empregada investigar efeito diodo óptico.

Transmitância T estrutura diodo óptico definida:

$$ T=\frac{p_o}{p_i}, $$ (1)

onde Pᵢ potência incidência Pₒ potência saída. T simulada numericamente usando método finite-difference time-domain (FDTD) [36]. Condições contorno periódicas empregadas lados esquerdo direito, camadas perfect matching aplicadas topo fundo modelo simulação. T_D T_U representam transmitância incidência descendente ascendente respectivamente. Propriedade diodo óptico descrita razão contraste isolamento η:

$$ \eta =\frac{\left|{T}_D\hbox{-} {T}_U\right|}{T_D+{T}_U}. $$ (2)

Portanto, η = 1 significa melhor desempenho diodo óptico.

Resultados e Análises Teóricas

Transmitância razão contraste isolamento estrutura diodo óptico mostradas Fig. 2. T_D diferente T_U quando comprimento onda incidência menor λ_C. T_D atinge valor máximo 0,73 T_U 3,7 × 10⁻³ λ_D (1315 nm). Enquanto T_U atinge valor máximo 0,82 T_D 3,6 × 10⁻⁴ λ_U (921 nm). Razões contraste isolamento λ_D λ_U são 0,990 0,999 respectivamente. Figura 2 mostra efeito diodo óptico obtido torno λ_D λ_U, duas bandas onda direções transmissão reversas. Bandas onda operação diodo dicroico, estrutura exibe transmissão extraordinária.

Entender transmissão diodo óptico dicroico, intensidade campo elétrico |E|² duas bandas onda operação simuladas. Mostrado Fig. 3a, d, campo elétrico realçado entre duas gratings quando luz transmite estrutura diodo óptico. Enquanto Fig. 3b, c mostram status bloqueio reverso. Realce campo eletromagnético entre duas gratings devido SPs duas interfaces prata/sílica adjacentes. Tipos SPs duas gratings diferentes, classificados plasmons superfície estruturados (SSPs) plasmons superfície induzidos (ISPs) respectivamente. SSPs excitado gera primeira grating iluminada (seletor). ISPs induzido segunda grating (emissor) acoplamento entre SPPs interface prata/sílica adjacente. Devido SSPs ISPs, luz transmite estrutura diodo óptico.

Densidade carga superficial interface prata/sílica componente E_y distribuição campo elétrico ilustrados Fig. 4 revelar funções acoplamento SPs. Fig. 4a, G₁ G₂ cargas opostas superfícies adjacentes, similar capacitor placa plana. Condição incidência descendente, G₁ atua seletor excitar SSPs λ_D. Distribuição periódica densidade carga superficial representa SPPs determinado constante grating G₁. G₂ suporta ISPs induzidos SPPs atua emissor transmissão. E_y entre G₁ G₂ realçado devido acoplamento SPPs ISPs, mostrado Fig. 4b. Condição incidência ascendente mostrada Fig. 4c, d, G₂ atua seletor G₁ atua emissor.

Como visto Fig. 4, campo transmissão periódico não-uniforme direção horizontal (eixo x). Período Λ (Λ = 2Λ₁ = 3Λ₂) distribuição campo transmissão modulado estrutura diodo óptico integral satisfaz 2π/Λ = |g₁-g₂|, aqui gᵢ vetor grating Gᵢ (i = 1, 2). Vetor onda lateral κ luz transmitida deriva superposição g₁ g₂:

$$ \kappa =\pm \frac{2\pi }{\Lambda}=\pm \left|{g}_1-{g}_2\right|, $$ (3)

E decide comprimento onda crítico λ_C (λ_C = 2π/|κ|) para T_D ≠ T_U. Segundo Eq. (3), λ_C 1800 nm nossa estrutura mencionada acima, boa concordância resultados simulação λ_C = 1806 nm mostrado Fig. 2. Efeitos diodo óptico aparecem faixa λ ≤ λ_C. Segundo resultados simulação, período gratings integradas (1800 nm) maior comprimentos onda operação diodo (1315 nm 921 nm). Componentes difração multi-ordem obtidos espalhamento luz gratings integradas. Assim, campo transmissão não uniforme direção paralela gratings, mesmo quando luz transmitida far field.

SSPs grating prata similares SPs interface prata/sílica plana exceto SSPs modo radiativo [37], enquanto SPs modos completamente ligados superfície. SSPs tratados SPs interface prata/sílica plana aproximadamente quando fendas gratings extremamente estreitas. Assim, relação dispersão SSPs escrita [38] segue:

$$ \beta ={k}_0\sqrt{\frac{\varepsilon_m{\varepsilon}_d}{\varepsilon_m+{\varepsilon}_d}} $$ (4)

onde k₀ vetor onda espaço livre ɛₘ ɛ_d coeficientes dielétricos prata sílica respectivamente. Relação dispersão descrita Eq. (4) ilustrada Fig. 5. Curva dispersão calculada usando parâmetros modelo Drude [35] este artigo ajusta bem calculada usando conjuntos dados constantes ópticas Johnson Christy [39] quando energia fóton abaixo 2,75 eV (λ > 450 nm). Fig. 5, linhas tracejadas verticais vermelha preta representam |g₁| |g₂| respectivamente. SSPs excitado grating quando condição matching vetor [40] satisfeita:

$$ \beta ={k}_0\sin \theta \pm {Ng}_i\left(N=1,2,3\dots \right). $$ (5)

Incidência normal (θ = 0°), difração primeira-ordem (N = 1) grating maior eficiência difração, i.e., maior eficiência excitação SSPs. Assim, Eq. (5) cumprida pontos vermelho preto mostrados Fig. 5:

$$ \beta =\mid {g}_i\mid . $$ (6)

Estrutura diodo óptico, G₁ seletor excitar SSPs incidência descendente G₂ seletor incidência ascendente. G₁ G₂ diferentes constantes grating, SSPs excitados diferentes comprimentos onda direções incidência reversas. Fig. 5, energia fóton ponto vermelho 0,91 eV comprimento onda 1365 nm, correspondendo λ_D (1315 nm) mostrado Fig. 2. Similarmente, energia fóton indicada ponto preto 1,04 eV comprimento onda 924 nm, correspondendo λ_U (921 nm) Fig. 2. Aproximação grating placa, comprimentos onda ressonância SSPs calculados usando Eq. (4) Eq. (6) não exatamente iguais simulados métodos FDTD mostrados Fig. 2.

Equação (5) indica ângulo incidência θ influencia condição matching vetor onda grating SSPs. Com mudança θ, transmitância razão contraste isolamento λ_D (1315 nm) λ_U (921 nm) simuladas mostradas Fig. 6a, b respectivamente. Com θ aumentando 0° a 10°, T_D λ_D T_U λ_U diminuem mismatching vetor onda entre gᵢ SSPs. (T_D λ_D diminui 0 quando θ ≈ 40° T_U λ_U diminui 0 quando θ ≈ 35°.) Faixa ângulo incidência 0° ≤ θ ≤ 5°, T_D λ_U T_U λ_D quase 0, η sempre mantém maior 0,98 ambos λ_U λ_D. Figura 6 demonstra estrutura exibe bom efeito diodo óptico λ_D λ_U sob incidência pequeno-ângulo.

Investigação e Discussão

Esta seção investiga influência parâmetros estrutura espectros transmissão razão contraste isolamento.

Espessura intercamada d posição lateral relativa gratings Δ limitados precisão fabricação. Influência d Δ espectros transmissão razões contraste isolamento mostradas Figs. 7 8 respectivamente. Figura 7 mostra bandas onda operação diodo óptico exibem leve redshift quando d aumenta. Enquanto isso, valor máximo T_D diminui muito pouco, mas valor máximo T_U diminui significativamente. Aumento d alongará distância transmissão luz através estrutura, enfraquecerá interação eletromagnética entre G₁ G₂, prejudicará densidade carga induzida superfície emissor. Visto Fig. 4, cargas distribuídas cantos fenda emissor atuam fontes dipolos elétricos campo transmissão. Densidade carga cantos fenda emissor G₂ (Fig. 4a) muito maior que cantos fenda emissor G₁ (Fig. 4c), então d influencia menos valor máximo T_D que T_U. Além, com aumento d, pequenos picos marcados FP₁ FP₂ aparecem T_U pico transmissão FP₁ exibe grande redshift. Intensidade campo elétrico |E|² distribuições provam FP₁ FP₂ resultam ressonâncias Fabry-Perot.

Mostrado Fig. 1, estrutura diodo óptico periódica mesma célula unidade quando Δ = a ± MΛ₂/2 (0 nm < a < Λ₂/2 M = 0, 1, 2…). Além, célula unidade Δ = a left-right flip simétrica Δ = −a ± MΛ₂/2 realizam mesmo efeito transmissão. Então, transmitância estrutura diodo óptico afetada Δ como: T(Δ) = T(Δ + Λ₂/2) = T(−Δ + Λ₂/2). Mostrado Fig. 8, efeito diodo óptico λ~921 nm liga desliga dentro período Λ₂/2 Δ aumenta. No entanto, pico transmissão T_D exibe leve blueshift efeito diodo óptico λ~1315 nm sempre ligado quando Δ aumenta. Visto Fig. 8a, novo pico transmissão λ_N emerge T_U curva perto λ_U. Quando Δ aumenta Λ₂/12 Λ₂/6, pico λ_N exibe blueshift enquanto pico λ_U exibe redshift (Fig. 8a, b). Distribuições E_y ressonâncias transmissão λ_U λ_N inseridas Fig. 8b. Segundo resultados simulação, ressonância λ_N gera devido divisão energia. Quando Δ aumenta Λ₂/4, mostrado Fig. 8c, T_U suprimido duas ressonâncias transmissão desaparecem, fazendo efeito diodo óptico desligar λ~921 nm.

Segundo análise teórica, banda onda operação diodo óptico obtida certa faixa otimizando parâmetros grating. Figura 9 mostra transmissão diodo óptico dicroico alcançada faixa luz visível parâmetros estrutura d = 100 nm, Λ₁ = 450 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, Δ = 0 nm. Máximas transmitâncias bandas onda transmissão dicroico 80% (522 nm incidência ascendente) 71% (732 nm incidência descendente), razões contraste isolamento η correspondentes 0,998 0,993.

Além, componente célula unidade nossa estrutura também influencia fenômenos diodo óptico. Segundo Eq. (5), bandas onda efeito diodo dependem Λ₁ Λ₂. Nossa pesquisa, selecionamos célula unidade consistindo 2 unidades G₁ 3 unidades G₂, i.e., 2Λ₁ = 3Λ₂, obter altas transmitâncias boas razões contraste isolamento bandas onda diodo simultaneamente. Exemplo, Fig. 10 mostra transmissão dicroico estrutura diodo óptico célula unidade consistindo 3 unidades G₁ 4 unidades G₂. Efeitos diodo óptico obtidos 530 nm T_U = 72% 659 nm T_U = 76%. Razões contraste isolamento dois comprimentos onda reduzidas 0,912 0,987, porque diferença |g₁| |g₂| pequena grating atuando seletor pode excitar SSPs ambas gratings diferentes eficiências. Além, quando Λ₁ = 2Λ₂, ressonância transmissão SPs estrutura diodo óptico causada difração primeira-ordem G₂ também excitada difração segunda-ordem G₁ para 2g₁ = g₂, reduziria razão contraste isolamento. Então, boa propriedade diodo óptico requer duas constantes grating diferença suficiente evitar relação múltiplo inteiro.

Conclusões

Transmissão diodo óptico dicroico baseada SPs realizada nossa estrutura, consiste duas gratings prata paralelas deslocadas camada sílica interlayer. Primeira grating metálica iluminada seleciona banda onda transmissão excitando SSPs, outra grating metálica emite energia eletromagnética forward através oscilações elétrons superficiais. Quando direção incidência luz invertida, papéis duas gratings trocam outra banda onda transmissão diodo óptico aparece. Razão isolamento óptico quase alcança 1. Bandas onda transmissão diodo óptico ajustadas diferentes regiões alterando parâmetros estrutura. Bandas onda operação diodo óptico transmitância independentes intensidade incidência. Espessura estrutura apenas algumas centenas nanômetros. Estas propriedades nossa estrutura fornecem ampla gama aplicações circuitos integrados.

Abreviações

ISPs:

Plasmons superfície induzidos.

SPs:

Plasmons superfície

SSPs:

Plasmons superfície estruturados