Transparência Induzida por Plasmônio via Ressoadores Borboleta Assimétricos para Comunicações Ópticas On-Chip

Resumo

Transparência induzida por plasmônio é forma eficiente de imitar transparência induzida eletromagneticamente, que pode eliminar efeito opaco do meio à onda eletromagnética propagante. Propusemos estrutura de laço assimétrico acoplada por abertura para realizar transparência induzida por plasmônio on-chip na banda de comunicações ópticas. A transparência induzida por plasmônio resulta do forte acoplamento entre ressoadores triangulares borboleta desafinados. Cada ressoador funciona como cavidade Fabry-Perot com dimensões compactas. O comprimento de onda do pico transparente pode ser facilmente controlado devido à sua forte relação linear com altura do ressoador. A razão de vale de absorção para pico transparente pode ser superior a 10 dB. Além disso, com excelente linearidade do deslocamento de comprimento de onda ao índice de material de sensoriamento, o dispositivo tem grande desempenho de sensoriamento e imunidade a desvios estruturais.

Fundamentação

Efeito de transparência induzida eletromagneticamente (EIT), resultante de interferência quântica destrutiva entre dois caminhos em sistemas atômicos de três níveis [1, 2], mostra tremendo potencial em aplicações de propagação de luz lenta [3, 4], óptica não linear [5] e armazenamento óptico [6]. Em sistema EIT, efeito de interferência quântica reduz absorção de luz em região espectral estreita, surgindo ressonância aguda de transmissão quase perfeita dentro de perfil de absorção amplo [7]. No entanto, efeito EIT é muito sensível a alargamento devido a movimento atômico. Realização do efeito EIT requer lasers de gás estáveis e ambientes rigorosos, o que dificulta suas aplicações práticas. Recentemente, vários tipos de configurações foram propostas para imitar transmissão tipo EIT sem demanda de condições experimentais rigorosas, incluindo micro-ressoadores acoplados [8,9,10,11,12], anel fendido e metamateriais [13,14,15,16] compostos de materiais dielétricos e metálicos. Entre eles, EIT baseado em metamateriais com padrões de unidade periódicos requer sinal de luz excitado incidente em direção não paralela à superfície do chip. Com sinal de luz excitado incidente em direção paralela à superfície do chip, micro-ressoadores acoplados são notáveis para atender requisito de aplicações de integração on-chip de transmissão tipo EIT. Para reduzir ainda mais pegada de dispositivos EIT, transparência induzida por plasmônio (PIT) foi proposta como análogo ao EIT clássico com forte confinamento óptico além do limite de difração para ondas eletromagnéticas [17,18,19]. Plasmôns de superfície são oscilações ópticamente induzidas de elétrons livres na interface metal/dielétrico exibindo forte confinamento óptico e componentes fotônicos miniaturizados [20, 21]. Recentemente, guias de onda plasmônicos metal/isolante/metal (MIM) com confinamento óptico extremamente alto e espaçamento mais próximo a guias de onda adjacentes é guia de onda nanoscópico muito promissor capaz de superar limite de difração e tem diversas aplicações em sensores plasmônicos [22], acopladores [23] e filtros [24]. Assim, transmissão PIT baseada em MIM tem enorme potencial em aplicações on-chip de comunicações ópticas, processamento de informação óptica e óptica não linear.

Aqui propomos nova estrutura de ressoadores desafinados para obter transmissão PIT em guias de onda MIM. Dispositivo com estrutura planar compreende dois ressoadores triangulares desafinados e um guia de onda barramento, formando estrutura borboleta assimétrica para habilitar efeito PIT. Devido à resposta sensível e linear do comprimento de onda do pico transparente a parâmetros estruturais e meio dentro do guia de onda, dispositivo proposto permite sensoriamento de índice de refração baseado em PIT. Com estrutura compacta e fácil de fabricar, dispositivo poderia ter grande significância em integrações fotônicas on-chip.

Métodos

Esquema da estrutura borboleta assimétrica é representado na Fig. 1, onde material de fundo em azul é prata, cuja permissividade descrita pelo modelo Drude \( {\varepsilon}_r={\varepsilon}_{\infty }-{\omega}_p^2/\left({\omega}^2+ j\gamma \omega \right) \), com ε_∞=3,7, ω_p=9,1 eV e γ=0,018 eV. Parâmetros adotados na equação acima ajustam dados experimentais em frequências de comunicações ópticas [25]. Todos os guias de onda MIM são preenchidos por ar. Longa faixa no centro da estrutura é guia de onda barramento para transmissão de luz. Em ambos os lados do barramento, guias de onda são ressoadores borboleta. Ressoadores borboleta são assimétricos com parâmetros estruturais desafinados como altitude e ângulo denotados por H_u, H_d, θ₁ e θ₂. Vértices dos triângulos no borboleta estão no meio do guia de onda barramento. Assim, ressoadores borboleta têm pequenas conexões ao guia de onda barramento permitindo acoplamento eficiente entre eles. Largura dos guias de onda barramento fixada em 100 nm e comprimento do guia de onda barramento não afeta espectro de transmissão PIT exceto perda de transmissão. Então seu comprimento fixado em 1 µm considerando compacidade e integração. Duas grades em ambas extremidades do guia de onda barramento injetam fonte de luz de banda larga ou varredura de comprimento de onda e coletam espectro de transmissão. Espectro de transmissão calculado numericamente usando método de elementos finitos com condições de contorno de espalhamento. Na simulação numérica, onda plana injetada da grade esquerda do guia de onda barramento por porta para excitar modos TM fundamentais de SPs. Luz transmitida coletada da grade direita do guia de onda barramento definida como T = P_out/P_in, onde P_in = ∫ PoavzdS₁ e P_out = ∫ PoavzdS₂; Poavz é componente z do fluxo de potência médio no tempo. Espectros de transmissão da estrutura obtidos varrendo parametricamente comprimento de onda de entrada. Estrutura borboleta assimétrica proposta poderia ser fabricada pelos passos: primeiro, depositar filme de Ag com espessura 500 nm em substrato sílica/silício; então, depositar filme de sílica com espessura 500 nm; por fim, fabricar padrão requerido incluindo grades por EBL e gravação. Esquema proposto de acoplamento por abertura potencialmente tem requisitos de fabricação menos rigorosos que dispositivos baseados em acoplamento evanescente e pode ser usado para alcançar acoplamento eficiente em outras importantes estruturas plasmônicas MIM.

Resultados e Discussão

Diferente de ressoadores retangulares normais, ressoadores triangulares no borboleta são determinados não apenas pelo comprimento lateral, mas também ângulos. Então primeiro investigamos impacto do ângulo conectado ao guia de onda barramento na transmissão e propriedades ressonantes da estrutura proposta com único ressoador triangular. Espectros de transmissão de único ressoador triangular mostrados na Fig. 2. Todas as alturas do ressoador fixadas em 0,8 µm. Ângulo superior do ressoador triangular conectado ao guia de onda barramento permite energia eletromagnética acoplada lateralmente do guia de onda barramento para ressoador triangular. Assim, vales de transmissão profundos aparecem nos espectros da Fig. 2. Aquela quantidade, largura de banda e comprimentos de onda do vale são determinados por parâmetros estruturais do ressoador. Para ângulo de 20°, há dois vales de transmissão profundos no espectro. Vale ressonante no comprimento de onda maior é ordem 0 em direções longitudinal e horizontal, respectivamente. Com diminuição do comprimento de onda, altura do ressoador permite mais um nó de onda estacionária, que é ordem 1 na direção longitudinal. Situação para ângulo de 40° é similar à de 20°. À medida que ângulo aumenta, mais um vale ressonante emerge no espectro. Ângulo maior faz distribuição modal dividir em direção horizontal formando modo de alta ordem de ordem 1 em direção horizontal. Para ângulo maior de 80°, modo L: ordem 0 divide em direção horizontal formando L: 1ª; H: 1ª modo. Assim, aumento do ângulo resulta tanto em deslocamento de comprimento de onda quanto em divisão de distribuição modal em direção horizontal formando modos de alta ordem. Deslocamento de comprimento de onda não tem relação direta com ângulo, porque variação do ângulo também altera comprimento lateral. Então, para manter propriedades ressonantes estáveis, ângulos pequenos são preferidos.

Altura do ressoador é parâmetro chave para propriedades ressonantes. Espectros de transmissão do dispositivo com único ressoador triangular para altura variando de 0,8 a 1,1 µm mostrados na Fig. 3a. Ângulo de cavidade de 40° selecionado durante simulação. Dentro da faixa de comprimento de onda 1,2 a 1,8 µm, cada espectro tem único mergulho, significando vale ressonante. Todas as transmitâncias do vale estão em torno de 0,1. Como distribuição eletromagnética de H_z nos comprimentos de onda ressonante e não ressonante mostra nos insetos da Fig. 3a, maioria da energia eletromagnética acopla no ressoador triangular no comprimento de onda ressonante, enquanto a maioria dos outros comprimentos de onda da luz de banda larga injetada transmite através do guia de onda barramento. Com altura incremental, comprimento de onda do vale exibe comportamento de deslocamento para vermelho. Como mostrado na Fig. 3b, deslocamento de comprimento de onda é proporcional à altura com excelente linearidade. Deslocamento do comprimento de onda ressonante pode ser explicado via condição de onda estacionária Nλ_N = 2n_gL, N = (1, 2, 3…). Para N específico, altura maior do ressoador triangular causa deslocamento para vermelho do comprimento de onda ressonante, enquanto altura menor causa deslocamento para azul. Para diferentes ângulos, relação entre comprimento de onda ressonante e altura permanece similar, o que torna fabricação viável sem requisitos rigorosos.

Para realizar transmissão PIT, forte acoplamento entre ressoadores duplos com comprimento de cavidade ligeiramente desafinado é necessário. Estrutura borboleta assimétrica proposta composta de ressoadores triangulares com alturas ligeiramente desafinadas permite forte acoplamento entre ressoadores. Ajustando finamente alturas dos ressoadores triangulares duplos, pico de transmissão transparente aparecerá na banda proibida do ressoador único. Como mostrado na Fig. 4a, ângulo de 20° selecionado para manter apenas um vale dentro da faixa de comprimento de onda e alturas finamente selecionadas para fazer banda de transmissão PIT localizar em torno de 1,55 µm para aplicações em comunicações ópticas. Espectro de transmissão do ressoador único com altura 0,93 µm representado como linha tracejada vermelha. Seu vale localiza em 1,47 µm. Para introduzir diferença estrutural junto com diferença de vale, ressoador único com altura 1,02 µm empregado para parear ressoador anterior. Espectro representado como linha tracejada azul e seu vale localiza em 1,61 µm. Então, energia eletromagnética dentro dos ressoadores pareados acopla fortemente, formando espectro de transmissão com dois vales profundos e um pico transparente, representado como linha preta sólida. Pico transparente localiza no centro entre dois vales profundos, que era banda proibida para ressoadores únicos. Conforme insetos mostram, no primeiro vale, maior energia eletromagnética acopla no ressoador sob guia de onda barramento em vez do ressoador superior. No segundo vale, maior energia acopla no ressoador superior. Estes são muito similares aos de ressoadores únicos. No pico transparente, cerca de 75% energia eletromagnética transmite através do guia de onda barramento, e apenas pequena parte acopla nos ressoadores borboleta assimétricos, formando banda transparente para energia eletromagnética propagante. Nota-se que PIT também pode ser obtido em estrutura borboleta assimétrica com diferentes ângulos. No entanto, comprimento de onda do vale junto com pico não varia monotonamente com ângulo, levando a controle muito difícil do pico transparente. Além disso, como mencionado na seção acima, ressoadores com ângulos maiores geram ressonância multi-modo, prejudicial ao controle do efeito PIT. Então, apenas PIT induzido por diferença de altura é elaborado neste artigo. Efeito PIT na estrutura borboleta assimétrica proposta é sensível à altura. Para manter pico transparente no comprimento de onda de comunicações ópticas, vários conjuntos de valores de altura com diferença de altura de 30 a 190 nm selecionados para investigar impacto da diferença de altura no efeito PIT. Como mostrado na Fig. 4b, selecionando finamente conjuntos de valores de altura do ressoador, pico transparente pode ser mantido em 1,55 µm. Razão máxima de pico transparente para vale de absorção pode ser superior a 10 dB. Largura e transmitância ambas têm relação positiva com diferença de altura. Na Fig. 4c, largura a meia altura (FWHM) da banda transparente é proporcional à diferença de altura com comportamento aproximadamente linear, consistente com comportamento na Fig. 3b. Devido à existência de dissipação metálica, transmissão totalmente transparente de efeito PIT é impraticável. Transmitância de pico primeiro aumenta rapidamente com aumento da diferença de altura e então tende a estabilizar acima de 0,8.

Como elaborado nas seções acima, vale e pico transparente são determinados por parâmetros estruturais e material de meio dentro do ressoador e guia de onda barramento. Então, sensoriamento baseado em PIT na estrutura borboleta assimétrica proposta é viável. Anteriormente, guia de onda barramento e ressoadores preenchidos por ar, significando vazios e podem ser empregados como recipiente para líquido. Na simulação, guia de onda barramento e ressoadores 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]. Como mostrado na Fig. 5a, pico transparente comporta deslocamento para vermelho com aumento do índice de refração do líquido. Cada pico pode ser obviamente distinguido e transmitância de pico quase mantém estável. Na Fig. 5b, funções de comprimento de onda do pico como índice de refração para diferenças de altura de 50 nm, 70 nm, 90 nm, 120 nm e 150 nm são diretamente proporcionais. Deslocamento de comprimento de onda tem excelente linearidade. Sensibilidades calculadas para as diferenças de altura são todas aproximadamente iguais a 1140 nm/RIU, e resolução de sensoriamento correspondente é 8,8 × 10⁻⁵ RIU. Assim, sensor baseado em PIT de borboleta assimétrica tem sensibilidade muito alta e excelente imunidade a desvio de fabricação.

Conclusões

Propusemos estrutura borboleta assimétrica para realizar efeito PIT. Propriedades de transmissão de ressoadores com diferentes parâmetros estruturais calculadas numericamente usando método de elementos finitos. Através do forte acoplamento entre ressoadores triangulares desafinados, banda de transmissão transparente pode ser obtida na banda proibida de ressoadores únicos. Com todas três dimensões menores que comprimento de onda de espaço livre, dispositivo tem estrutura simples e ultra-compacta. Dispositivo também tem excelente imunidade a desvio de fabricação tornando-o fácil de fabricar sem requisitos rigorosos. Além disso, propriedade de sensoriamento baseada em PIT demonstrada usando estrutura borboleta assimétrica proposta. Dispositivo atinge sensibilidade máxima de 1140 nm/RIU; resolução de sensoriamento correspondente é 8,8 × 10⁻⁵ RIU. Sensibilidade tem excelente linearidade e consistência para diferença de altura variável. Assim, nossa estrutura borboleta assimétrica proposta fornece nova plataforma para dispositivos on-chip tipo EIT e sensores de índice de refração.