Projeto e Simulação de Filtros de Cor Metasuperficiais Ajustáveis com Alumínio e Niobato de Lítio

Resumo

Dois projetos de filtros de cor metasuperficiais (MCFs) usando configurações de alumínio e niobato de lítio (LN) são propostos e estudados numericamente. Eles são denominados metasuperfície de alumínio ajustável (TAM) e metasuperfície de LN ajustável (TLNM), respectivamente. As configurações dos MCFs são compostas de metasuperfícies suspensas acima de camadas espelho de alumínio para formar um ressonador Fabry-Perot (F-P). As ressonâncias de TAM e TLNM são deslocadas para o vermelho com faixas de ajuste de 100 nm e 111 nm, respectivamente, alterando o vão entre a camada espelho inferior e a metasuperfície superior. Além disso, os dispositivos propostos exibem absorção perfeita com largura de banda ultra-estreita abrangendo toda a faixa espectral visível compondo os parâmetros geométricos correspondentes. Para aumentar a flexibilidade e aplicabilidade dos dispositivos propostos, TAM exibe alta sensibilidade de 481,5 nm/RIU e TLNM exibe alto fator de mérito (FOM) de 97,5 quando os dispositivos são expostos em ambiente circundante com diferentes índices de refração. A adoção de metasuperfície baseada em LN pode aumentar valores de FWHM e FOM em 10 vezes e 7 vezes comparados aos de metasuperfície baseada em Al, o que melhora grandemente o desempenho óptico e exibe grande potencial em aplicações de sensoriamento. Estes projetos propostos fornecem uma abordagem eficaz para filtros de cor de alta eficiência ajustáveis e sensores usando metamaterial baseado em LN.

Introdução

Recentemente, os progressos de pesquisa de metamateriais avançaram em direção à realização de metasuperfícies ajustáveis que permitem controle em tempo real sobre suas propriedades geométricas e ópticas, criando assim oportunidades excepcionais no campo de metamateriais ativamente ajustáveis. Eles foram relatados para abranger as faixas espectrais visível [1,2,3,4,5,6], infravermelho (IV) [7,8,9,10,11,12] e terahertz (THz) [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. Como as propriedades ópticas únicas em metasuperfícies dependem da interação entre luz incidente e a nanoestrutura, propriedades desejáveis podem ser alcançadas adaptando adequadamente a forma, tamanho e composição da estrutura. Metasuperfícies permitiram manipulação de entidades de campo próximo permitindo reconfiguração de características intrigantes como resposta magnética [1, 22], absorção quase perfeita [14, 15, 23], transparência [17, 19], engenharia de fase [18, 20, 21, 24], sensoriamento MIR e imagem térmica [10], modulação de ressonância [9] para muitos tipos de filtros [1,2,3,4,5] e sensores [6,7,8, 12,13,14] aplicações.

Até o momento, existem muitos mecanismos de ajuste ativo relatados para melhorar a flexibilidade de metasuperfície. A maioria dos projetos está nas faixas espectrais IV [10,11,12, 25,26,27] e THz [28,29,30,31]. Embora tenham sido relatadas várias abordagens para metasuperfícies ativamente ajustáveis na faixa espectral visível, como estiramento mecânico [32], força eletrostática [33], ressonância Mie [34], cristal líquido [35], material de mudança de fase [36,37,38] e material eletro-óptico [39, 40], o número de estudos sobre metasuperfícies ativamente ajustáveis na faixa espectral visível é limitado. Entre os métodos de ajuste eletro-ópticos, metasuperfície ajustável baseada em grafeno recentemente atrai atenção massiva de pesquisadores [41,42,43]. Além disso, niobato de lítio (LN) é um dos materiais mais importantes, considerado como o "silício da fotônica". As abordagens de metasuperfície em LN atraíram grande atenção devido à sua ampla janela de transparência, grande coeficiente eletro-óptico de segunda ordem até 30 pm/V, e grande compatibilidade com circuitos fotônicos integrados [44]. Devido à sua grande susceptibilidade não linear de segunda ordem, o índice de refração de LN pode ser ajustado linearmente aplicando um campo elétrico nele [44]. A incorporação de LN no projeto de metasuperfície abre possibilidades para filtros de cor ultrasensíveis com ajustabilidade eletro-óptica ativa. Os métodos de ajuste ativo acima mencionados são altamente dependentes das propriedades não lineares de material natural. Eles frequentemente carecem de características desejáveis, como grande faixa de ajuste e desempenho uniforme através da faixa de ajuste ou exigem alta voltagem de acionamento, o que limita severamente suas aplicações. Entre esses métodos, metamateriais ativamente ajustáveis usando tecnologia de sistemas micro-eletro-mecânicos (MEMS) são amplamente estudados devido às características geométricas do metamaterial poderem ser diretamente modificadas [26, 29]. Metamateriais ajustáveis baseados em MEMS frequentemente utilizam uma cavidade Fabry-Perot (F-P) e então alteram o vão entre duas camadas estruturais para ajustar a ressonância [37, 45]. Estas estruturas podem produzir largura de banda de absorção ou transmissão estreita com grande faixa de ajuste, o que as torna desejáveis para aplicações de próxima geração.

Neste estudo, dois projetos de filtros de cor metasuperficiais (MCFs) são apresentados. Eles são metasuperfície ajustável baseada em Al (TAM) e metasuperfície ajustável baseada em LN (TLNM) usando simulações baseadas em diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD) da Lumerical Solution para investigar suas características ópticas na faixa espectral visível. A direção de propagação da luz incidente é definida como perpendicular ao plano x–y nas simulações numéricas. O ângulo de polarização da luz incidente é definido como 0 e significa que o vetor elétrico oscila na direção do eixo x como polarização TM. Condições de contorno periódicas também são adotadas nas direções x e y, e condições de contorno de camada perfeitamente adaptada (PML) são assumidas em ambas as direções z. A intensidade de reflexão é calculada por um monitor colocado acima do dispositivo. Os dispositivos propostos exibem ajustabilidades ativas e grandes faixas de ajuste. TAM e TLNM exibem absorções quase perfeitas de banda ultra-estreita abrangendo toda a faixa espectral visível. Para aplicação de sensoriamento ambiental, TAM exibe alta sensibilidade enquanto TLNM exibe alto FOM. Estes projetos podem ser potencialmente usados em display de alta resolução, sensor de índice de refração e dispositivo adaptativo na faixa espectral visível.

Projetos e Métodos

A Figura 1a mostra os desenhos esquemáticos dos TAM e TLNM propostos. Eles são compostos de metasuperfícies retangulares de Al suspensas e elípticas de LN em substrato Si revestido com camada espelho de Al no topo. O vão entre a camada espelho de Al inferior e a metasuperfície superior pode ser ajustado usando tecnologia MEMS para formar uma cavidade F-P entre estas duas camadas. As dimensões geométricas correspondentes são o comprimento do orifício retangular na metasuperfície de Al e dois eixos do orifício elíptico na metasuperfície de LN ao longo da direção x (D_x) e direção y (D_y), os períodos ao longo da direção x (P_x) e direção y (P_y), a espessura da metasuperfície (t), e o vão entre a metasuperfície e a camada espelho inferior (g). Aqui, definimos as razões dos períodos e os comprimentos da metasuperfície retangular de Al e elíptica de LN ao longo da direção x e y como K_x = P_x/D_x e K_y = P_y / D_y, respectivamente, para descobrir as respostas eletromagnéticas efetivas em toda a faixa espectral visível.

Figura 1. a Desenhos esquemáticos de TAM e TLNM. b–d Os espectros de reflexão de TAM com diferentes (b) D_x, (c) K_x e (d) K_y valores.

A Figura 1b–d mostra os espectros de reflexão de TAM alterando D_x, K_x e K_y valores, respectivamente. Na Fig. 1b, os parâmetros são mantidos constantes como D_y = 200 nm, g = 450 nm, e K_x = K_y = 1,2. Os espectros de absorção quase perfeita são mantidos alterando valores de D_x de 110 nm a 200 nm. A ressonância está no comprimento de onda de 535 nm. A Figura 1c mostra os espectros de reflexão de TAM com diferentes valores de K_x. Outros parâmetros são mantidos constantes como D_x = D_y = 200 nm, g = 450 nm e K_y = 1,2. As ressonâncias são quase mantidas constantes na faixa de comprimento de onda de 530 nm a 540 nm. A Figura 1d mostra os espectros de reflexão de TAM com diferentes valores de K_y. Os outros parâmetros são mantidos constantes como D_x = D_y = 200 nm, g = 450 nm e K_x = 1,2. Alterando valores de K_y de 1,1 a 1,5, as ressonâncias são deslocadas para o azul com uma faixa de comprimento de onda variável de menos de 60 nm. Estes resultados indicam que os impactos dos valores de D_x, K_x e K_y no comprimento de onda ressonante de TAM são bastante menores, o que significa que o TAM proposto possui alta tolerância de desvio de fabricação para variações dos valores de D_x, K_x e K_y. Nas discussões seguintes, K_x e K_y são mantidos constantes como 1,2 e D_x é definido como igual a D_y para investigar a ajustabilidade ativa dos dispositivos TAM e TLNM propostos.

Resultados e Discussões

Para aumentar a flexibilidade e aplicabilidade do dispositivo proposto, a metasuperfície é projetada para ser suspensa de modo a deixar um vão entre ela e a camada espelho inferior para formar um ressonador F-P e, como resultado, a luz incidente será aprisionada neste vão e então absorvida pelo dispositivo. Em relação aos valores de D_y e g serem os principais fatores contribuindo para o deslocamento do comprimento de onda ressonante, absorção quase perfeita de TAM pode ser ajustada em toda a faixa espectral visível combinando valores de D_y e g como mostrado na Fig. 2a. Quatro pares de valores de D_y e g são escolhidos para investigar a ajustabilidade de TAM. Eles são (D_y, g) = (160 nm, 355 nm), (200 nm, 450 nm), (240 nm, 540 nm), (280 nm, 645 nm), respectivamente. Combinando valores de D_y e g, a absorção perfeita pode ser realizada em diferentes comprimentos de onda de 433,9 nm, 533,5 nm, 629,8 nm e 740,9 nm. As imagens de cores inseridas da Fig. 2a são as cores visíveis correspondentes dos espectros de reflexão para olhos humanos calculadas usando funções de correspondência CIE RGB para imitar as cores reais nas superfícies do dispositivo. A relação de ressonâncias e valores de D_y é resumida e plotada na Fig. 2b. As ressonâncias são deslocadas para o vermelho linearmente abrangendo toda a faixa espectral visível aumentando valores de D_y de 150 nm a 290 nm. O coeficiente de correlação correspondente é 0,99401. Mostra uma grande ajustabilidade para o dispositivo TAM proposto. A frequência ressonante de um ressonador F-P pode ser determinada por [46]

$$ {v}_q=\frac{qc}{2g} $$ (1)

onde q é índice de modo, g é o comprimento da cavidade F-P, e c = c₀/n, onde c₀ é a velocidade da luz no vácuo e n é índice de refração do meio. Isso indica que a frequência ressonante pode ser ajustada movendo a metasuperfície suspensa verticalmente neste projeto proposto, ou seja, alterando o valor de g.

Figura 2. a Espectros de reflexão de TAM com diferentes valores de D_y e g. b A relação de ressonâncias e valores de D_y.

A Figura 3 mostra os espectros de reflexão de TAM com diferentes valores de g sob as condições de D_y = 200 nm (Fig. 3a) e D_y = 250 nm (Fig. 3b), respectivamente. Na Fig. 3a, as ressonâncias são deslocadas para o vermelho do comprimento de onda de 490 nm a 590 nm alterando valores de g de 410 nm a 510 nm. A faixa de ajuste é 100 nm. A menor largura total na metade do máximo (FWHM) de ressonância é 29,9 nm para g = 470 nm. Na Fig. 3b, as ressonâncias são deslocadas para o vermelho do comprimento de onda de 580 nm a 691 nm alterando valores de g de 490 nm a 610 nm. A faixa de ajuste é 111 nm. A menor FWHM de ressonância é 31,8 nm para g = 530 nm. A faixa de ajuste é 2 vezes comparada à relatada na referência [39] e melhor que aquelas relatadas nas referências anteriores [37, 38, 40]. A Figura 3c, d mostra as relações correspondentes de ressonâncias e valores de g da Fig. 3a, b, respectivamente. As ressonâncias são deslocadas para o vermelho linearmente por 9,2 nm por incremento de 10 nm de valor de g como mostrado na Fig. 3c, e por 9,0 nm por incremento de 10 nm de valor de g como mostrado na Fig. 3d. As faixas de ajuste são 90,5 nm e 110,7 nm, respectivamente. Todos os espectros de reflexão são absorções quase perfeitas. Os coeficientes de correlação correspondentes são 0,99950 e 0,99969, respectivamente. Tais projetos de TAM propostos podem servir como filtro de cor ultrasensível ou ser usados em várias aplicações de sensoriamento.

Figura 3. Espectros de reflexão de TAM com diferentes valores de g sob as condições de aD_y = 200 nm, bD_y = 250 nm. c, d As relações de ressonâncias e valores de g de a e b, respectivamente.

Para melhorar o desempenho de TAM em termos de FWHM e faixa de comprimento de onda de ajuste mantendo absorção quase perfeita, TLNM é proposto e apresentado como mostrado na Fig. 1a. É porque a padronização de nanoestruturas sempre sofre efeito de canto e desvio de fabricação que o padrão geométrico é projetado como orifício elíptico. Os parâmetros de D_x e D_y representam os comprimentos de macro-eixo e menor-eixo ao longo das direções x- e y, respectivamente, enquanto parâmetros K_x e K_y são mantidos constantes como 1,2 e valor de D_x é 110 nm. A Figura 4a mostra os espectros de reflexão de TLNM com quatro combinações de valores de D_y e g. Valor de t é mantido constante como 200 nm. TLNM exibe a característica de absorção perfeita com largura de banda ultra-estreita abrangendo toda a faixa espectral visível. Os valores de FWHM dos espectros de reflexão são 3 nm. Tal FWHM ultra-estreito é contribuído pela ressonância F-P, que pode ser determinado por

$$ \mathrm{FWHM}=\frac{\lambda_q^2}{2\pi g}\frac{1-R}{\sqrt{R}} $$ (2)

onde λ_q é comprimento de onda ressonante, o subscrito q é o índice de modo, g é o comprimento da cavidade F-P, e R é a reflectância das superfícies do ressonador F-P entre metasuperfície de Al inferior e metasuperfície Al/LN no topo. O valor de FWHM poderia ser reduzido como resultado de maior intensidade de reflexão de TLNM, o que significa que o desempenho óptico pode ser grandemente melhorado usando material LN. A relação de ressonâncias e valores de D_y na Fig. 4a são resumidas como mostrado na Fig. 4b. As ressonâncias são deslocadas para o vermelho linearmente abrangendo de 427 nm a 673 nm aumentando valores de D_y de 250 nm a 500 nm, e o coeficiente de correlação correspondente é 0,97815. Portanto, demonstra uma ajustabilidade linear do dispositivo proposto.

Figura 4. a Espectros de reflexão de TLNM com diferentes valores de D_y e g. b A relação de ressonâncias e valores de D_y.

A metasuperfície elíptica de LN suspensa é móvel, que pode ser diretamente modificada para alcançar ajustabilidade óptica usando tecnologia MEMS. Figura 5a, b mostra os espectros de reflexão de TLNM com diferentes valores de g sob duas condições de D_y = 350 nm, t = 210 nm, e D_y = 450 nm, t = 280 nm, respectivamente. Na Fig. 5a, aumentando valores de g de 390 nm a 570 nm, as ressonâncias são deslocadas para o vermelho de 465,9 nm a 553,5 nm. Na Fig. 5b, aumentando valores de g de 540 nm a 780 nm, as ressonâncias são deslocadas para o vermelho de 613,6 nm a 731,2 nm. Figura 5c, d mostra as relações correspondentes de ressonâncias, valores de g e os valores correspondentes de FWHM da Fig. 5a, b, respectivamente. As ressonâncias são deslocadas para o vermelho de forma bastante linear. Os coeficientes de correlação correspondentes são 0,99864 e 0,99950 para os dois casos, respectivamente. Para o caso de D_y = 350 nm, t = 210 nm, a faixa de ajuste é 87,6 nm e o valor médio de FWHM é 3 nm como mostrado na Fig. 5c. Enquanto para o caso de D_y = 450 nm, t = 280 nm, a faixa de ajuste é 117,6 nm e o valor médio de FWHM é 4 nm como mostrado na Fig. 5d. Pode-se ver que o menor valor de FWHM é 1,5 nm no comprimento de onda de 466 nm como mostrado na Fig. 5a e que é 3,2 nm no comprimento de onda de 615 nm como mostrado na Fig. 5b. Eles são comparados com os resultados dos projetos TAM propostos, os valores de FWHM de TLNM são melhorados 10 vezes no mínimo mantendo absorção perfeita. É uma grande melhoria de desempenho óptico usando metasuperfície LN. Estes resultados indicam que TLNM pode ser potencialmente usado em muitas aplicações como filtros de cor ultrasensíveis, absorvedores, detectores e sensores de acordo com estas características extraordinárias de banda ultra-estreita, absorção perfeita e grande faixa de ajuste.

Figura 5. Espectros de reflexão de TLNM. Parâmetros otimizados para a faixa de ajuste máxima sob as condições de aD_y = 350 nm, t = 210 nm, bD_y = 450 nm, t = 280 nm. c, d As relações de ressonâncias, valores de g e valores correspondentes de FWHM de a e b, respectivamente.

Para investigar ainda se dispositivos TAM e TLNM podem ser implantados em aplicações práticas, por exemplo, sensores de ambiente, eles são expostos no ambiente circundante com diferentes índices de refração ambientes (n). A Figura 6 mostra os espectros de reflexão de TAM exposto em ambiente circundante com diferentes índices de refração de 1,0 a 1,3. As dimensões geométricas de TAM são mantidas constantes como D_x = 110 nm, D_y = 200 nm, e g = 450 nm. Existem duas ressonâncias deslocadas para o vermelho com faixas de ajuste de 84,6 nm (ω₁) e 172,1 nm (ω₂). As relações de ressonâncias e valores de n são resumidas na Fig. 6b. As sensibilidades são calculadas como 246,7 nm/RIU e 481,5 nm/RIU, e os correspondentes fatores de mérito (FOMs) são 11 e 14 para a primeira ressonância (ω₁) e segunda ressonância (ω₂), respectivamente. Estas sensibilidades mais altas são causadas pela FWHM estreita de ressonâncias, que são 21,6 nm (ω₁) e 34 nm (ω₂). Estas características são bastante adequadas para aplicações práticas de sensoriamento.

Figura 6. a Espectros de reflexão de TAM exposto em ambiente circundante com diferentes índices de refração (n). b A relação de ressonâncias e valores de n.

No entanto, a desvantagem é que a intensidade de reflexão de ω₁ é relativamente alta e a de ω₂ aumenta para maior que 20% conforme n aumenta para 1,3. Para superar esta limitação, TLNM é projetado para possuir propriedades ópticas estáveis devido às caracterizações de metasuperfície LN. A Figura 7 mostra os espectros de reflexão de TLNM exposto em ambiente circundante com diferentes valores de n sob as condições de D_y = 350 nm, t = 210 nm, g = 490 nm, e D_y = 450 nm, t = 280 nm, g = 580 nm como mostrado na Fig. 7a, b, respectivamente. Na Fig. 7a, as ressonâncias de TLNM com D_y = 350 nm, t = 210 nm, g = 490 nm são deslocadas para o vermelho com uma faixa de ajuste de 58,4 nm aumentando valores de n de 1,0 a 1,2. Enquanto as ressonâncias de TLNM sob as condições de D_y = 450 nm, t = 280 nm, g = 580 nm são deslocadas para o vermelho com uma faixa de ajuste de 78,2 nm aumentando valores de n de 1,0 a 1,2. Dentro destes dois casos, TLNM exibe absorção quase perfeita, onde a flutuação de intensidade de reflexão é menos de 5%. Os espectros de reflexão são mais estáveis que os de TAM. As relações de ressonâncias e valores de n são plotadas na Fig. 7c, d para os dois casos, respectivamente. Para a condição de TLNM com D_y = 350 nm, t = 210 nm, g = 490 nm, a sensibilidade e o valor médio de FWHM são 291,4 nm/RIU e 3 nm, respectivamente. O FOM correspondente é calculado como 97 como mostrado na Fig. 7c. Para a condição de TLNM com D_y = 450 nm, t = 280 nm, g = 580 nm, a sensibilidade e o valor médio de FWHM são 390,3 nm/RIU e 4 nm, respectivamente. O FOM correspondente é calculado como 97,5 como mostrado na Fig. 7d, que é aumentado 7 vezes comparado ao de TAM mostrado na Fig. 6. Significa que TLNM mostra melhor desempenho de sensoriamento para ser usado em aplicações de sensor ambiental.

Figura 7. Espectros de reflexão de TLNM exposto em ambiente circundante com diferentes índices de refração (n) sob as condições de aD_y = 350 nm, t = 210 nm, g = 490 nm, bD_y = 450 nm, t = 280 nm, g = 580 nm. c, d As relações de ressonâncias, valores de n e valores correspondentes de FWHM, respectivamente.

Conclusão

Em conclusão, apresentamos dois projetos de filtro de cor de alta eficiência ajustável baseados em metasuperfícies retangulares de Al suspensas e elípticas de LN em substrato Si revestido com camada espelho de Al no topo. Alterando diferentes composições de valores de D_x, g e t de TAM e TLNM, as respostas eletromagnéticas podem realizar absorção perfeita com ultra-alta eficiência abrangendo toda a faixa espectral visível. Aumentando valores de g, as ressonâncias de TAM e TLNM podem ser ajustadas 110,7 nm e 117,6 nm, respectivamente. Para aplicação de sensoriamento ambiental, TAM exibe ultra-alta sensibilidade de 481,5 nm/RIU e TLNM exibe ultra-alto valor de FOM de 97,5. O FWHM de TLNM é aumentado 10 vezes no máximo e FOM pode ser melhorado 7 vezes comparados aos de TAM. De acordo com as características acima mencionadas de banda ultra-estreita, especialmente FWHM de 3 nm para TLNM, absorção perfeita e grande faixa de ajuste que são raramente relatadas no espectro visível simultaneamente implantando metasuperfície Al ou LN, indica que dispositivos propostos podem ser potencialmente usados em muitas aplicações como filtros de cor ultrasensíveis com alta pureza de cor, alta resolução para técnicas de display e imagem, absorvedores ajustáveis de alta eficiência desejáveis em óptica integrada, sensores de índice de refração, etc. Entre estas aplicações, TLNM exibe desempenho com FOM mais alto e FWHM mais estreito enquanto TAM possui sensibilidade mais alta para sensores de índice de refração.

Disponibilidade de Dados e Materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado.

Abreviações

MCFs:

Filtros de cor metasuperficiais

LN:

Niobato de lítio

TAM:

Metasuperfície de alumínio ajustável

TLNM:

Metasuperfície de LN ajustável

F-P:

Fabry-Perot

FOM:

Fator de mérito

IV:

Infravermelho

THz:

Terahertz

FDTD:

Diferenças finitas no domínio do tempo

PML:

Camada perfeitamente adaptada