Dichroïsche optische diodetransmissie in twee ontwrichte parallelle metalen roosters
Abstract
Een optische diodestructuur met twee ontwrichte parallelle metalen roosters wordt voorgesteld en numeriek onderzocht. Dichroïsche optische diodetransmissie wordt gerealiseerd in deze structuur, d.w.z. het optische diode-effect wordt waargenomen in twee golfbanden die overeenkomen met inverse transmissierichtingen. In de structuur worden twee parallelle metalen roosters met verschillende roosterconstanten gescheiden door een diëlektrische plaat ertussen. Het eerste verlichte rooster fungeert als een selector voor het opwekken van oppervlakteplasmonen op een juiste golflengte. Het andere rooster fungeert als emitter om optische transmissie te realiseren. Wanneer de invalsrichting wordt omgekeerd, wisselen de rollen van twee roosters uit en worden oppervlakteplasmonen geëxciteerd op een andere golflengte. In dichroïsche transmissiegolfbanden vertoont de optische diodestructuur een buitengewone transmissie en bezit een hoge optische isolatie tot 1. Bovendien kunnen de werkende golfbanden worden gemoduleerd door structuurparameters te wijzigen.
Inleiding
Optische diode, die fotonen in één richting uitzendt en transmissie in de omgekeerde richting verbiedt, heeft veel aandacht getrokken vanwege de unidirectionele transmissie-eigenschap [1]. Optische diodefenomenen kunnen worden waargenomen wanneer de tijdomkeringssymmetrie van de interactie tussen licht en materie wordt verbroken. Extern magnetisch veld [2], voorspanning [3], akoestische golf [4] of tijdsafhankelijke modulatie [5, 6] kunnen worden toegepast om het optische diode-effect te bereiken. Bovendien is de structuur van het breken van ruimtelijke inversiesymmetrie een alternatieve keuze, zoals asymmetrische meerlaagse structuren [7], asymmetrische fotonische kristallen [8] en asymmetrische roosters [9]. In de afgelopen decennia hebben metalen micro-nanostructuren veel belangstelling gekregen vanwege de veelbelovende eigenschappen van oppervlakteplasmonen (SP's). Plasmonische apparaten worden in veel onderzoeksgebieden voorgesteld, zoals metasurface-holografie [10,11,12,13,14], brekingsindexsensor [15, 16] en filter [17, 18]. Plasmonische apparaten kunnen de interactie van elektromagnetische velden op nanoschaal sterk wijzigen [19]. De modulatie op SP's kan worden gerealiseerd door de omringende diëlektrische omgeving en geometrische parameters van metalen structuren te veranderen [20, 21]. Optische diodes samengesteld uit metalen structuren op nanoschaal, bijvoorbeeld roosters met een plasmonische laag [22, 23], gecascadeerde plasmonische roosters [24, 25], plasmonische nanogaten [26], plasmonische gleufgolfgeleider [27] en plasmonische nanodeeltjesaggregaten [28] , worden veel onderzocht met het oog op optische informatieverwerking.
In dit artikel wordt dichroïsche optische diodetransmissie verkregen in twee ontwrichte parallelle metalen roosters die een diëlektrische plaat als tussenvoegsel bevatten. Zowel transmissieverbetering als een hoge isolatiecontrastverhouding worden bereikt in de twee werkende golfbanden met omgekeerde transmissierichtingen, omdat metalen roosters bestaande uit smalle spleten een buitengewone lichttransmissie vertonen [29, 30] en asymmetrische structuren een unidirectionele transmissie realiseren [27,28,29,30 ,31]. Volgens de verlichte volgorde fungeren twee metalen roosters met verschillende roosterconstanten respectievelijk als selector en emitter. De selector selecteert de resonantiegolflengte door SP's te activeren en met de bijdrage van SP's realiseert de emitter lichttransmissie. Wanneer de invalsrichting wordt omgekeerd, wisselen de rollen van twee roosters en worden SP's geëxciteerd op een andere golflengte. Daarom wordt de dichroïsche optische diodetransmissie verkregen. De dikte van de in dit artikel voorgestelde optische diodestructuur is slechts 160 nm. Met de ontwikkeling van nanofabricagetechnologieën kunnen veel methoden worden toegepast op de fabricage van metalen roosterstructuren, zoals ultraviolette nano-imprintlithografie [32], laser-direct-writing lithografie [33] en elektronenstraallithografie [34]. Het optische diodekarakter is onafhankelijk van de invallende intensiteit. Deze eigenschappen impliceren dat onze structuur uitgebreide mogelijkheden heeft voor optische integratie.
Methoden
Het schema van de optische diodestructuur wordt getoond in Fig. 1. De structuur bestaat uit twee zilveren roosters G 1 en G 2 tussen een silicalaag. De dikte van de silicalaag wordt aangegeven als d . G 1 en G 2 hebben dezelfde spleetbreedte s , dezelfde dikte h , en verschillende roosterconstanten Λ ik (ik =-1, 2). De structuur is translatiesymmetrisch en de eenheidscel bevat 2 eenheden van G 1 en 3 eenheden van G 2 . Δ geeft de relatieve laterale positie van G . aan 1 en G 2 in een eenheidscel. Drudemodel [35] wordt gebruikt om de diëlektrische functie van zilver te beschrijven. De brekingsindex van silica is 1,5, de dispersie negerend. Het omringende diëlektricum is lucht en de brekingsindex is 1. Normale invallende vlakke golf van p -polarisatie wordt gebruikt om het optische diode-effect te onderzoeken.
Schematisch diagram van optische diodestructuur. een De eenheidscel. b Algemeen overzicht
Doorlaatbaarheid T van de optische diodestructuur wordt als volgt gedefinieerd:
$$ T=\frac{p_o}{p_i}, $$ (1)waar P ik is het invallend vermogen en P o is het uitgangsvermogen. T wordt numeriek gesimuleerd met behulp van de FDTD-methode (finite-difference time-domain) [36]. Aan de linker- en rechterkant worden periodieke randvoorwaarden toegepast en aan de boven- en onderkant van ons simulatiemodel worden perfect passende laaggrenzen toegepast. T D en T U vertegenwoordigen de transmissie voor respectievelijk neerwaartse inval en opwaartse inval. De eigenschap van de optische diode wordt beschreven door de isolatiecontrastverhouding η :
$$ \eta =\frac{\left|{T}_D\hbox{-} {T}_U\right|}{T_D+{T}_U}. $$ (2)Vandaar, η = 1 betekent de beste optische diodeprestaties.
Resultaten en theoretische analyses
De transmissie- en isolatiecontrastverhouding van de optische diodestructuur wordt getoond in Fig. 2. T D is anders dan T U wanneer de invallende golflengte kleiner is dan λ C . T D bereikt de maximale waarde 0,73 en T U is 3,7 × 10 −3 bij λ D (1315 nm). Terwijl T U bereikt de maximale waarde 0,82 en T D is 3,6 × 10 −4 bij λ U (921 nm). De isolatiecontrastverhoudingen bij λ D en λ U zijn respectievelijk 0,990 en 0,999. Afbeelding 2 laat zien dat het optische diode-effect wordt verkregen rond λ D en λ U , en de twee golfbanden hebben omgekeerde transmissierichtingen. In de dichroïsche diode werkende golfbanden vertoont de structuur een buitengewone transmissie.
Transmissiespectra en de isolatiecontrastverhouding van de optische diodestructuur met d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ 1 = 900 nm, Λ 2 = 600 nm, en Δ = 0 nm
Om de dichroïsche optische diodetransmissie te begrijpen, is de elektrische veldintensiteit |E | 2 bij twee werkende golfbanden worden gesimuleerd. Zoals getoond in figuur 3a, d, wordt het elektrische veld versterkt tussen twee roosters wanneer licht door de optische diodestructuur gaat. Ondertussen tonen Fig. 3b, c de omgekeerde blokkeringsstatus. De versterking van het elektromagnetische veld tussen twee roosters is te danken aan de SP's op twee aangrenzende zilver/silica-interfaces. De typen SP's op twee roosters zijn verschillend, die respectievelijk worden geclassificeerd als gestructureerde SP's (SSP's) en geïnduceerde SP's (ISP's). SSP's is opgewonden en genereert bij het eerste verlichte rooster (selector). ISP's worden bij het laatste rooster (emitter) geïnduceerd door de koppeling tussen SPP's en het aangrenzende zilver/silica-interface. Door SSP's en ISP's gaat licht door de optische diodestructuur.
Verdelingen van elektrische veldintensiteit |E | 2 voor neerwaartse incidentie bij λ D = 1315 nm (a ), opwaartse incidentie bij λ D = 1315 nm (b ), neerwaartse incidentie bij λ U = 921 nm (c ), en opwaartse incidentie bij λ U = 921 nm (d )
Oppervlakteladingsdichtheid op de zilver/silica-interface en E j component van de elektrische veldverdeling worden geïllustreerd in Fig. 4 om de SP's-koppelingsfuncties te onthullen. In Fig. 4a, G 1 en G 2 hebben tegengestelde ladingen op hun aangrenzende oppervlakken, wat vergelijkbaar is met een platte plaatcondensator. Onder de voorwaarde van neerwaartse incidentie, G 1 fungeert als een selector om SSP's te prikkelen bij λ D . De periodieke oppervlakteladingsdichtheidsverdeling geeft aan dat SPP's wordt bepaald door de roosterconstante van G 1 . G 2 ondersteunt de door SPP's geïnduceerde ISP's en treedt op als zender voor transmissie. E j tussen G 1 en G 2 wordt verbeterd door de koppeling tussen SPP's en ISP's, zoals weergegeven in figuur 4b. Voor een opwaartse incidentsituatie weergegeven in Fig. 4c, d, G 2 fungeert als de selector en G 1 fungeert als de zender.
De oppervlakteladingsdichtheid op het zilver/silica-interface bij G 1 en G 2 , onder de voorwaarde van neerwaartse incidentie bij λ D = 1315 nm (a ) en opwaartse incidentie bij λ U = 921 nm (c ). Ey component van het elektrische veld onder de voorwaarde van neerwaartse inval bij λ D = 1315 nm (b ) en opwaartse incidentie bij λ U = 921 nm (d )
Zoals te zien is in figuur 4, is het transmissieveld periodiek en niet-uniform in de horizontale (x -as) richting. De periode Λ (Λ = 2Λ 1 = 3Λ 2 ) van de transmissie-bestandsdistributie wordt gemoduleerd door de integrale optische diodestructuur en voldoet aan 2π/Λ = |g 1 -g2 |, hier g ik is de roostervector van Gi (ik =-1, 2). De efficiëntie van de roosterdiffractie wordt verhoogd voor het bestaan van SP's. De laterale golfvector κ van doorvallend licht is afgeleid van de superpositie van g 1 en g 2 :
$$ \kappa =\pm \frac{2\pi }{\Lambda}=\pm \left|{g}_1-{g}_2\right|, $$ (3)En het bepaalt de kritische golflengte λ C (λ C = 2π/|κ|) voor T D ≠ T U . Volgens vgl. (3), λ C is 1800 nm voor onze hierboven genoemde structuur, wat goed overeenkomt met de simulatieresultaten λ C = 1806 nm getoond in Fig. 2. Optische diode-effecten verschijnen in het bereik van λ ≤ λ C . Volgens de simulatieresultaten is de periode van de geïntegreerde roosters (1800 nm) groter dan de golflengten van de diode die werken (1315 nm en 921 nm). Multi-orde diffractiecomponenten kunnen worden verkregen met lichtverstrooiing van de geïntegreerde roosters. Het transmissieveld is dus niet uniform in de richting evenwijdig aan de roosters, zelfs niet wanneer het licht naar het verre veld wordt doorgelaten.
SSP's van het zilverrooster zijn vergelijkbaar met SP's op een vlakke zilver/silica-interface, behalve dat SSP's de stralingsmodus zijn [37], terwijl SP's volledig oppervlaktegebonden modi zijn. SSP's kunnen worden behandeld als SP's op een vlak zilver/silica-interface, ongeveer wanneer de spleten van roosters extreem smal zijn. De dispersierelatie van SSP's kan dus als [38] worden geschreven:
$$ \beta ={k}_0\sqrt{\frac{\varepsilon_m{\varepsilon}_d}{\varepsilon_m+{\varepsilon}_d}} $$ (4)
waar k 0 is de vrije ruimtegolfvector en ɛ m en ɛ d zijn respectievelijk de diëlektrische coëfficiënt van zilver en silica. De dispersierelatie beschreven door Vgl. (4) wordt geïllustreerd in Fig. 5. Dispersiecurve berekend met behulp van Drude-modelparameters [35] in dit artikel past goed bij die berekend met behulp van Johnson en Christy's optische constante datasets [39] wanneer de fotonenergie lager is dan 2,75 eV (
Dispersie van SP's op een vlakke zilver / silica-interface berekend met behulp van het Drude-model en de optische constante gegevens van Johnson en Christy. De verticale rode en zwarte streepjeslijnen vertegenwoordigen de vectormodulus van het rooster |g 1 | en |g 2 |, respectievelijk
Voor normale incidentie (θ = 0°), de eerste orde (N = 1) diffractie van een rooster heeft de hoogste diffractie-efficiëntie, d.w.z. de grootste excitatie-efficiëntie voor SSP's. Dus, vgl. (5) is voldaan bij de rode en zwarte punten getoond in Fig. 5:
$$ \beta =\mid {g}_i\mid . $$ (6)In de optische diodestructuur, G1 is de selector om SSP's te prikkelen voor neerwaartse inval en G 2 is de selector voor opwaartse inval. G 1 en G 2 hebben verschillende roosterconstanten, dus SSP's worden op verschillende golflengten geëxciteerd voor omgekeerde invalrichtingen. In Fig. 5 is de fotonenergie op het rode punt 0,91 eV en de golflengte is 1365 nm, wat overeenkomt met λ D (1315 nm) weergegeven in Fig. 2. Evenzo is de fotonenergie aangegeven door het zwarte punt 1,04 eV en is de golflengte 924 nm, wat overeenkomt met λ U (921 nm) in Fig. 2. Als benadering van rooster tot plaat, werden de SSP-resonantiegolflengten berekend met behulp van Vgl. (4) en vgl. (6) zijn niet precies gelijk aan degene die zijn gesimuleerd met behulp van FDTD-methoden die worden getoond in Fig. 2.
Vergelijking (5) geeft aan dat invalshoek θ beïnvloedt de golfvectoraanpassingsconditie van rooster met SSP's. Met het veranderen van θ , de transmissie- en isolatiecontrastverhouding bij λ D (1315 nm) en λ U (921 nm) worden gesimuleerd en weergegeven in respectievelijk Fig. 6a, b. Met θ toenemend van 0° tot 10°, T D bij λ D en T U bij λ U afname voor de golfvector die niet overeenkomt tussen g ik en SSP's. (T D bij λ D neemt af naar 0 wanneer θ ≈ 40° en T U bij λ U neemt af naar 0 wanneer θ ≈ 35°.) In een invalshoek van 0° ≤ θ ≤ 5°, T D bij λ U en T U bij λ D zijn bijna 0, en η houdt altijd groter dan 0.98 bij beide λ U en λ D . Afbeelding 6 laat zien dat de structuur een goed optisch diode-effect vertoont bij λ D en λ U onder kleine hoekinval.
De invloed van de invalshoek op de transmissie- en isolatiecontrastverhouding bij λ D = 1315 nm (a ) en λ U = 921 nm (b )
Onderzoek en discussie
In deze sectie onderzoeken we de invloed van structuurparameters op transmissiespectra en isolatiecontrastverhouding.
De tussenlaagdikte d en roosters laterale relatieve positie Δ worden beperkt door de fabricagenauwkeurigheid. De invloed van d en Δ op transmissiespectra en de isolatiecontrastverhoudingen worden getoond in Fig. respectievelijk 7 en 8. Afbeelding 7 laat zien dat de werkende golfbanden van optische dioden een lichte roodverschuiving vertonen wanneer d neemt toe. Ondertussen is de maximale waarde van T D neemt heel weinig af, maar de maximale waarde van T U aanzienlijk afneemt. De toename van d zal de lichttransmissieafstand door de structuur verlengen, de elektromagnetische interactie tussen G . verzwakken 1 en G 2 en verslechteren de ladingsdichtheid die aan het oppervlak van de emitter wordt geïnduceerd. Zoals te zien is in figuur 4, werken ladingen die verdeeld zijn over spleethoeken van de zender als elektrische dipolenbronnen van het transmissieveld. Ladingsdichtheid bij spleethoeken van de zender G 2 (Fig. 4a) is veel groter dan die bij spleethoeken van de zender G 1 (Fig. 4c), dus d heeft minder invloed op de maximale waarde van T D dan die van T U . Trouwens, met de toename van d , kleine pieken gemarkeerd als FP1 en FP2 verschijnen in T U en de transmissiepiek van FP1 vertoont een grote roodverschuiving. Elektrisch geplaatste intensiteit |E | 2 distributies bewijzen dat FP1 en FP2 resultaat van Fabry-Perot-resonanties.
De invloed van d op transmissiespectra en de isolatiecontrastverhouding. d = 220 nm (a ), d = 240 nm (b ), en d = 260 nm (c ) wanneer s = h = 50 nm, Λ 1 = 900 nm, Λ 2 = 600 nm, en Δ = 0 nm. De inzetstukken zijn verdelingen van elektrische veldintensiteit |E | 2 voor opwaartse transmissieresonanties
De invloed van Δ op transmissiespectra en de isolatiecontrastverhouding. Δ = 50 nm = Λ 2 /12 (een ), Δ = 100 nm = Λ 2 /6 (b ), en Δ = 150 nm = Λ 2 /4 (c ) wanneer d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ 1 = 900 nm, en Λ 2 = 600 nm. De inzet in (b ) zijn E j distributies voor opwaartse transmissieresonanties
Zoals getoond in Fig. 1 is de optische diodestructuur periodiek en heeft deze dezelfde eenheidscel wanneer Δ = a ± MΛ 2 /2 (0 nm < a < Λ 2 /2 en M = 0, 1, 2…). Trouwens, de eenheidscel van Δ = een is links-rechts flip-symmetrisch met die van Δ = − een ± MΛ 2 /2 en ze kunnen hetzelfde transmissie-effect realiseren. Dus de transmissie van de optische diodestructuur wordt beïnvloed door Δ als:T (Δ ) = T (Δ + Λ 2 /2) = T (− Δ + Λ 2 /). Zoals getoond in Fig. 8, optische diode-effect bij λ ~921 nm gaat aan en uit binnen een periode van Λ 2 /2 als Δ neemt toe. Echter, transmissiepiek van T D vertoont een lichte blauwverschuiving en het optische diode-effect bij λ ~1315 nm is altijd aan wanneer Δ neemt toe. Te zien in Fig. 8a, een nieuwe transmissiepiek bij λ N verschijnt in T U curve nabij λ U . Wanneer Δ neemt toe van Λ 2 /12 tot Λ 2 /6, de piek bij λ N vertoont een blauwverschuiving terwijl de piek bij λ U vertoont een roodverschuiving (Fig. 8a, b). E j distributies voor transmissieresonanties bij λ U en λ N zijn ingevoegd in Fig. 8b. Volgens de simulatieresultaten is de resonantie bij λ N genereert vanwege de energiesplitsing. Wanneer Δ neemt toe tot Λ 2 /4, getoond in Fig. 8c, T U wordt onderdrukt en twee transmissieresonanties verdwijnen, waardoor het optische diode-effect wordt uitgeschakeld bij λ ~921 nm.
Volgens de theorie-analyse kan de werkende golfband van optische diodes in een bepaald bereik worden verkregen door roosterparameters te optimaliseren. Afbeelding 9 laat zien dat de dichroïsche optische diodetransmissie wordt bereikt in het zichtbare lichtbereik met structuurparameters d = 100 nm, Λ 1 = 450 nm, Λ 2 = 300 nm, s = h = 30 nm, en Δ = 0 nm. De maximale transmissies van dichroïsche diodetransmissiegolfbanden zijn 80% (bij 522 nm voor opwaartse inval) en 71% (bij 732 nm voor neerwaartse inval), en de bijbehorende isolatiecontrastverhoudingen η zijn 0,998 en 0,993.
Transmissiespectra en isolatiecontrastverhouding voor de optische diodestructuur met d = 100 nm, Λ 1 = 450 nm, Λ 2 = 300 nm, s = h = 30 nm, en Δ = 0 nm
Verder beïnvloedt de component van de eenheidscel in onze structuur ook de optische diodefenomenen. Volgens vgl. (5), de golfbanden van het diode-effect zijn afhankelijk van Λ 1 en Λ 2 . In ons onderzoek selecteren we de eenheidscel bestaande uit 2 eenheden van G 1 en 3 eenheden van G 2 , d.w.z. 2Λ 1 = 3Λ 2 , om tegelijkertijd hoge transmissies en goede isolatiecontrastverhoudingen in de optische diodegolfbanden te krijgen. Fig. 10 toont bijvoorbeeld de dichroïsche transmissie van de optische diodestructuur met zijn eenheidscel bestaande uit 3 eenheden van G 1 en 4 eenheden van G 2 . De optische diode-effecten worden verkregen bij 530 nm met T U = 72% en 659 nm met T U = 76%. De isolatiecontrastverhoudingen bij de twee golflengten zijn teruggebracht tot 0,912 en 0,987, omdat het verschil van |g 1 | en |g 2 | is klein en het rooster dat als selector fungeert, kan de SSP's van beide roosters met verschillende efficiënties activeren. Bovendien, wanneer Λ 1 = 2Λ 2 , de SP's transmissieresonantie in de optische diodestructuur veroorzaakt door de eerste-orde diffractie van G 2 kan ook worden opgewekt door de tweede-orde diffractie van G 1 voor 2g 1 = g 2 , wat de isolatiecontrastverhouding zou verminderen. De goede optische diode-eigenschap vereist dus dat twee roosterconstanten een voldoende verschil hebben en de integere meervoudige relatie vermijden.
Transmissiespectra en de isolatiecontrastverhouding voor de optische diodestructuur met de eenheidscel inclusief 3 eenheden van G 1 en 4 eenheden van G 2 . d = 100 nm, Λ 1 = 400 nm, Λ 2 = 300 nm, s = h = 30 nm, en Δ = 0 nm
Conclusies
De dichroïsche optische diodetransmissie op basis van SP's wordt gerealiseerd in onze structuur, die bestaat uit twee ontwrichte parallelle zilveren roosters en een tussenlaag van silica. Het eerste verlichte metalen rooster selecteert de transmissiegolfband door SSP's te activeren, en het andere metalen rooster zendt elektromagnetische energie naar voren uit via de oppervlakte-elektronenoscillaties. Wanneer de invallende richting van het licht wordt omgekeerd, wisselen de rollen van twee roosters en verschijnt een andere optische diodetransmissiegolfband. De optische isolatieverhouding kan bijna oplopen tot 1. Optische diodetransmissiegolfbanden kunnen worden aangepast om in verschillende regio's te zijn door de structuurparameters te wijzigen. De optische diode werkende golfbanden en transmissie zijn onafhankelijk van de invallende intensiteit. De dikte van de structuur is slechts enkele honderden nanometers. Deze eigenschappen van onze structuur bieden een breed scala aan toepassingen in geïntegreerde schakelingen.
Afkortingen
- ISP's:
-
Geïnduceerde oppervlakteplasmonen.
- SP's:
-
Oppervlakteplasmonen
- SSP's:
-
Gestructureerde oppervlakteplasmonen
Nanomaterialen