Modulação Óptica Eficiente no Infravermelho Próximo via Transição Interbanda de Grafeno Acoplada a Ressonância Magnética de Metamaterial

Resumo

Projetar moduladores poderosos de onda eletromagnética é necessário para avanço da tecnologia de comunicação óptica. Neste trabalho, estudamos como modular eficientemente amplitude de ondas eletromagnéticas na região infravermelho próximo, pelas interações entre transição interbanda de grafeno e ressonância de dipolo magnético em metamateriais. Espectros de reflexão de metamateriais poderiam ser significativamente reduzidos na faixa de comprimento de onda abaixo da transição interbanda, porque campos eletromagnéticos realçados da ressonância de dipolo magnético aumentam grandemente absorção de luz no grafeno. Profundidade máxima de modulação de espectros de reflexão pode atingir cerca de 40% próximo ao comprimento de onda de ressonância de dipolo magnético, para transição interbanda aproximar ressonância de dipolo magnético, quando voltagem externa aplicada para mudar energia Fermi do grafeno.

Contexto

Controlar dinamicamente propriedades espectrais de ondas eletromagnéticas por estímulos externos como força mecânica, mudança temperatura, voltagem elétrica, e feixe laser tem atraído interesse crescente, devido a muitas aplicações em tecnologia display holográfico, sensoriamento alto desempenho, e comunicações ópticas. Nos últimos anos, muito esforço feito para manipular ativamente espectros transmissão, reflexão, ou absorção ondas eletromagnéticas, baseado em condutividade superficial grafeno eletricamente sintonizável, em faixa frequência muito ampla incluindo micro-ondas, terahertz (THz), infravermelho, e regime visível. Tal manipulação ativa baseada em grafeno de ondas eletromagnéticas sob estímulo elétrico externo sem reconstruir estruturas relacionadas visa modular eficientemente amplitude, fase, e polarização de ondas eletromagnéticas. Três tipos moduladores onda eletromagnética são mais importantes para processamento sinal comunicações ópticas espaço-livre. No regime infravermelho longo e THz, condutividade superficial grafeno apenas compreende contribuição intrabanda, e grafeno tem função dielétrica efetiva descrita com modelo Drude padrão. Portanto, frequências mais baixas, muito similar a metais nobres (ex., Ag e Au), grafeno nanoestruturado também capaz suportar ressonâncias plasmonicas localizadas ou deslocalizadas com grande realce campo eletromagnético, amplamente empregado fortalecer interações luz-matéria para modulação eficiente ondas eletromagnéticas. Por exemplo, 2012, Sensale-Rodriguez et al. teoricamente apresentaram moduladores reflectância com excelente performance frequência THz, aproveitando efeitos plasmonicos grafeno micro-fitas. No regime visível e infravermelho próximo, contribuição interbanda domina condutividade superficial grafeno, cuja permissividade complexa tem parte real valor positivo. Assim, frequências mais altas, grafeno em si não mais suporta ressonâncias plasmonicas superficiais, mas comporta mais como filme dielétrico ultra-fino quando interage com luz. Nesta situação, vários modos ressonância alta qualidade suportados em outros materiais nanoestruturados frequentemente explorados para modular eletricamente ondas eletromagnéticas, com ajuda energia Fermi gate-controlada grafeno. Por exemplo, Yu et al. estudaram teoria modulação amplitude luz visível com grafeno, utilizando interferência Fabry-Perot, modos Mie em nanoesferas dielétricas alto índice refração, e ressonâncias rede superficial array periódico nanopartículas metálicas. Na última década, ressonância magnética metamateriais estudada extensivamente e intensivamente alcançar absorvedores perfeitos ondas eletromagnéticas. Contudo, até agora, poucos estudos sobre moduladores ópticos baseados em ressonância magnética metamateriais com monocamada grafeno inserida.

Proporemos método eficiente modular espectros reflexão ondas eletromagnéticas região infravermelho próximo, acoplando transição interbanda grafeno à ressonância dipolo magnético metamateriais. Encontra-se que espectros reflexão metamateriais podem ser largamente reduzidos faixa comprimento onda abaixo transição interbanda grafeno, porque campos eletromagnéticos realçados ressonância excitação dipolo magnético aumentam enormemente absorção luz grafeno. Profundidade máxima modulação amplitude reflexão pode atingir cerca 40% próximo comprimento onda ressonância dipolo magnético, para transição interbanda sintonizada gradualmente através dipolo magnético banda larga, quando voltagem externa aplicada mudar energia Fermi grafeno.

Métodos

Mostramos esquematicamente Fig. 1 bloco construção metamateriais investigados para modulação eficiente reflexão região infravermelho próximo, através interações entre ressonância dipolo magnético e transição interbanda grafeno. Realizamos cálculos numéricos pacote software comercial "EastFDTD". Camada sílica tem índice refração 1,45, e nanofitas prata e substrato têm função dielétrica experimental. Grafeno tem permissividade relativa calculada pela fórmula seguinte:

$$ {\displaystyle \begin{array}{l}{\sigma}_{\mathrm{intra}}=\frac{i{e}^2{k}_BT}{\pi {\hslash}^2\left(\omega +i/\tau \right)}\left(\frac{E_f}{k_BT}+2\ln \left({e}^{-\frac{E_f}{k_BT}}+1\right)\right)\\ {}{\sigma}_{\mathrm{inter}}=\frac{i{e}^2}{4\pi \mathit{\hslash}}\ln \left(\frac{2{E}_f-\left(\omega +i/\tau \right)\hslash }{2{E}_f+\left(\omega +i/\tau \right)\hslash}\right)\\ {}\sigma ={\sigma}_{i\mathrm{ntra}}+{\sigma}_{\mathrm{inter}}\\ {}{\varepsilon}_g=1+ i\sigma /\left({\varepsilon}_0\omega {t}_g\right),\end{array}} $$

Esquemático bloco construção metamateriais. Parâmetros geométricos: período p_x direção eixo x, espessura t espaçador sílica, largura w, e altura h nanofitas prata

onde σ_intra e σ_inter termos intrabanda e interbanda condutividade superficial grafeno, τ tempo relaxação elétron-fônon, E_f energia Fermi, e t_g espessura grafeno. Metamateriais estudados poderiam ser realizados experimentalmente com ajuda tecnologia nanofabricação avançada. Primeiro, substrato prata e camada sílica preparados por evaporação térmica. Então, monocamada grafeno depositada superfície sílica através deposição química vapor. Finalmente, array periódico nanofitas prata fabricado por litografia feixe elétron.

Resultados e Discussão

Primeiro discutimos espectros reflexão metamateriais sem grafeno, mostrado linha preta e quadrados Fig. 2a. Mergulho reflexão amplo a 1210 nm observado, relacionado a dipolo magnético. Quando grafeno inserido metamateriais, reflexão largamente reduzida comprimentos onda menores 1150 nm (posição transição interbanda grafeno), mostrado linha vermelha e círculos Fig. 2a. Razão é que campos eletromagnéticos realçados ressonância excitação dipolo magnético aumentam enormemente absorção luz grafeno. Correspondentemente, profundidade modulação induzida grafeno espectros reflexão aumentará gradualmente cerca 11 a 28%, quando comprimento onda luz aumentado 1000 nm posição transição interbanda, exibido Fig. 2b. Profundidade modulação geralmente definida como (R-R₀)/R₀, onde R e R₀ espectros reflexão com e sem grafeno inserido metamateriais.

a Espectros reflexão numericamente calculados metamateriais com e sem monocamada grafeno inserida, incidência normal. b Profundidade modulação. Parâmetros: p_x = 400 nm, w = 200 nm, h = 50 nm, t = 30 nm, t_g = 0,35 nm, T = 300 K, τ = 0,50 ps, E_f = 0,54 eV

Para demonstrar que mergulho reflexão amplo relevante a dipolo magnético, Fig. 3, plotamos campos eletromagnéticos plano xoz comprimento onda 1210 nm. Campos elétricos principalmente distribuídos ao redor bordas nanofitas prata, e campos magnéticos largamente localizados região sílica sob nanofitas prata. Distribuição campo propriedade típica ressonância dipolo magnético. Entre substrato prata e nanofita individual, hibridização campo próximo plasmonico produz correntes anti-paralelas, indicadas duas setas pretas Fig. 3b. Correntes anti-paralelas podem induzir momento magnético M contraposto campo magnético incidente formar ressonância dipolo magnético. Comprimento onda ressonante depende fortemente largura w nanofitas prata, que terá deslocamento vermelho óbvio quando w aumentado.

Distribuições campo elétrico (a) e magnético (b) no plano xoz na ressonância dipolo magnético

Posição transição interbanda pode ser convenientemente sintonizada quando voltagem externa aplicada mudar energia Fermi E_f. Sintonizabilidade posição transição interbanda muito útil controlar eficientemente espectros reflexão. Para E_f aumentar 0,46 a 0,58 eV, transição interbanda desloca azul rapidamente, exibido círculos abertos Fig. 4a. Simultaneamente, reflexão reduzida notavelmente faixa comprimento onda abaixo transição interbanda. Próximo comprimento onda ressonância dipolo magnético, reflexão reduzida mínimo cerca 0,55, quando transição interbanda sintonizada gradualmente através dipolo magnético banda larga. Figura 4b mostra efeito modulação reflexão induzida grafeno para diferentes E_f. Com diminuição E_f, profundidade modulação espectros reflexão torna maior e tem máximo quase 40% quando E_f = 0,46 eV. Além disso, faixa comprimento onda sintonizável também torna muito mais ampla, por causa deslocamento vermelho contínuo transição interbanda quando E_f diminuído. Contudo, faixa comprimento onda sobre transição interbanda, espectros reflexão não modulados comparado caso sem grafeno, e assim, profundidade modulação quase zero.

Espectros reflexão (a) e profundidade modulação (b) para diferentes E_f

Transição interbanda intimamente relacionada energia Fermi E_f, que pode ser plenamente manifestada como característica espectral aguda na permissividade ε_g grafeno. Fig. 5, damos partes real e imaginária ε_g para diferentes E_f. Para cada E_f, existe pico estreito parte real ε_g, e correspondentemente queda abrupta aparece parte imaginária ε_g. Com diminuição E_f, tal característica espectral aguda desloca vermelho obviamente. Faixa comprimento onda lado direito queda abrupta, parte imaginária ε_g muito pequena. É por isso espectros reflexão não modulados comprimentos onda sobre transição interbanda. Dependência posição transição interbanda energia Fermi E_f mostrada Fig. 6. Podemos ver claramente posições picos parte real ε_g em excelente concordância com aquelas indicadas círculos abertos Fig. 4a.

Parte real (a) e imaginária (b) de ε_g para diferentes E_f

a Posições transição interbanda para diferentes E_f

Conclusão

Demonstramos numericamente método modular eficientemente espectros reflexão ondas eletromagnéticas região infravermelho próximo, acoplando transição interbanda grafeno à ressonância dipolo magnético metamateriais. Encontra-se que espectros reflexão podem ser largamente reduzidos faixa comprimento onda abaixo transição interbanda grafeno, porque campos eletromagnéticos realçados ressonância dipolo magnético aumentam enormemente absorção luz grafeno. Profundidade máxima modulação espectros reflexão pode atingir cerca 40% próximo comprimento onda ressonância dipolo magnético, para transição interbanda próxima ressonância dipolo magnético, quando voltagem externa aplicada mudar energia Fermi grafeno. Efeito modulação reflexão apresentado este trabalho pode encontrar aplicações potenciais sistemas comunicação óptica.

Disponibilidade Dados e Materiais

Todos dados totalmente disponíveis sem restrição.