Plasmon-geïnduceerde transparantie in een asymmetrische strikstructuur

Resultaten en discussie

In tegenstelling tot de normale rechthoekige resonatoren, worden de driehoekige resonatoren in de vlinderdas niet alleen bepaald door de lengte van de zijden, maar ook door de hoeken. We onderzoeken dus eerst de impact van de hoek die is verbonden met de busgolfgeleider op de transmissie- en resonantie-eigenschappen van de voorgestelde structuur met een enkele driehoekige resonator. De transmissiespectra van een enkele driehoekige resonator worden getoond in Fig. 2. Alle hoogten van de resonator zijn vastgesteld op 0,8 m. De tophoek van de driehoekige resonator is verbonden met de busgolfgeleider waardoor elektromagnetische energie zijdelings wordt gekoppeld van de busgolfgeleider in de driehoekige resonator. Er verschijnen dus diepe transmissiedalen op de spectra in figuur 2. Die hoeveelheid, bandbreedte en valleigolflengten worden bepaald door de structurele parameters van de resonator. Voor de hoek van 20° zijn er twee diepe transmissiedalen in het spectrum. De resonantievallei bij de langere golflengte is respectievelijk de 0e orde en de 0e orde in longitudinale en horizontale richtingen. Bij afnemende golflengte staat de resonatorhoogte nog een staande golfknoop toe, die van de eerste orde is in de lengterichting. De situatie voor de hoek van 40° is vergelijkbaar met die van 20°. Naarmate de hoek groter wordt, ontstaat er nog een resonantiedal in het spectrum. De grotere hoek zorgt ervoor dat de modale distributie in horizontale richting wordt gesplitst en een hoge-orde modus van 1e orde in horizontale richting vormt. Voor een grotere hoek van 80° splitst de modus van L:0e orde zich in horizontale richting en vormt L:1e; H:1e modus. De toenemende hoek resulteert dus in zowel de verschuiving van de golflengte als de splitsing van de modale distributie in een horizontale richting, waardoor modi van hoge orde worden gevormd. De verschuivingsgolflengte heeft geen directe relatie met de hoek, omdat de variatie van de hoek ook de zijdelengte verandert. Dus, om de stabiele resonantie-eigenschappen te behouden, hebben kleine hoeken de voorkeur.

Transmissiespectra van de enkele driehoekige resonator voor hoeken van 20° (a ), 40° (b ), 60° (c ), en 80° (d ). Inzetstukken zijn magnetisch veld H _z overeenkomend met de resonantiegolflengten

De hoogte van de resonator is de belangrijkste parameter voor de resonantie-eigenschappen. De transmissiespectra van het apparaat met een enkele driehoekige resonator voor een resonatorhoogte variërend van 0,8 tot 1,1 m worden getoond in figuur 3a. Tijdens de simulatie werd een spouwhoek van 40° gekozen. Binnen het golflengtebereik van 1,2 tot 1,8 m heeft elk van de spectra een enkele dip, wat de resonantievallei betekent. Alle doorlaatbaarheid van de vallei is ongeveer 0,1. Als de elektromagnetische distributie van H _z bij de resonerende en niet-resonante golflengten toont in de inzet van figuur 3a, de meerderheid van de elektromagnetische energie paren in de driehoekige resonator bij de resonerende golflengte, terwijl de meeste andere golflengten van het geïnjecteerde breedbandlicht worden doorgelaten door de busgolfgeleider. Met de incrementele hoogte vertoont de dalgolflengte roodverschuivingsgedrag. Zoals weergegeven in figuur 3b, is de verschuivende golflengte evenredig met de hoogte met uitstekende lineariteit. De verschuiving van de resonantiegolflengte kan worden verklaard via de staande golfconditie Nλ _N = 2n _g L , N = (1, 2, 3…). Voor een specifieke N , de grotere hoogte van de driehoekige resonator veroorzaakt de rode verschuiving van de resonantiegolflengte, terwijl de kortere hoogte de blauwe verschuiving van de resonantiegolflengte veroorzaakt. Voor verschillende hoeken blijft de relatie tussen de resonantiegolflengte en -hoogte gelijk, wat fabricage mogelijk maakt zonder strenge eisen.

Transmissie-eigenschappen van de enkele driehoekige resonator. een Transmissiespectra van de enkele driehoekige resonator voor variërende hoogte. b Afhankelijkheid van de resonantiegolflengte van de hoogte voor hoeken van 40 °, 60 ° en 80 °. Inzetstukken zijn magnetisch veld H _z overeenkomend met de resonante en niet-resonante golflengten

Om PIT-transmissie te realiseren, is een sterke koppeling tussen dubbele resonatoren met enigszins ontstemde holtelengte vereist. De voorgestelde asymmetrische vlinderdasstructuur bestaande uit driehoekige resonatoren met enigszins ontstemde hoogtes maakt een sterke koppeling tussen de resonatoren mogelijk. Door de hoogten van de dubbele driehoekige resonatoren fijn af te stemmen, zal er een transparante transmissiepiek verschijnen in de verboden band van de enkele resonator. Zoals getoond in Fig. 4a, werd de hoek van 20 ° geselecteerd om slechts één vallei binnen het golflengtebereik te houden en de hoogten werden nauwkeurig geselecteerd om de PIT-transmissieband rond de 1,55 m te laten lokaliseren voor toepassingen in optische communicatie. Het transmissiespectrum van de enkele resonator met een hoogte van 0,93 m wordt weergegeven als de rode stippellijn. De vallei lokaliseert op 1.47 μm. Om structureel verschil samen met dalverschil te introduceren, wordt de enkele resonator met een hoogte van 1,02 m gebruikt om de vorige resonator te koppelen. Het spectrum wordt weergegeven als de blauwe stippellijn en de vallei bevindt zich op 1,61 m. Vervolgens koppelt de elektromagnetische energie in de gepaarde resonatoren sterk aan elkaar en vormt een transmissiespectrum met twee diepe valleien en één transparante piek, die wordt weergegeven als de zwarte ononderbroken lijn. De transparante piek bevindt zich in het midden tussen de twee diepe valleien, wat een verboden band was voor enkele resonatoren. Zoals de inzet laat zien, koppelt in de eerste vallei grote elektromagnetische energie zich in de resonator onder de busgolfgeleider in plaats van in de bovenste resonator. In de tweede vallei koppelt grote elektromagnetische energie zich in plaats daarvan in de bovenste resonator. Deze lijken erg op die van enkele resonatoren. Op de transparante piek zendt ongeveer 75% elektromagnetische energie door de busgolfgeleider, en slechts een klein deel van de energie koppelt aan de asymmetrische vlinderdas-resonatoren, waardoor een transparante band wordt gevormd voor de zich voortplantende elektromagnetische energie. Opgemerkt moet worden dat PIT ook kan worden verkregen in een asymmetrische vlinderdasstructuur met verschillende hoeken. De dalgolflengte samen met de piekgolflengte varieert echter niet monotoon met de hoek, wat leidt tot een zeer moeilijke controle van de transparante piek. Bovendien, zoals vermeld in de bovenstaande paragraaf, geeft de resonator met grotere hoeken aanleiding tot multimode-resonantie, wat nadelig is voor de beheersing van het PIT-effect. Dus alleen de door hoogteverschillen geïnduceerde PIT wordt in dit artikel uitgewerkt. Het PIT-effect in de voorgestelde asymmetrische vlinderdasstructuur is hoogtegevoelig. Om de transparante piek op de golflengte van de optische communicatie te houden, zijn verschillende sets hoogtewaarden met een hoogteverschil van 30 tot 190 nm geselecteerd om de impact van hoogteverschil op het PIT-effect te onderzoeken. Zoals weergegeven in figuur 4b, kan de transparante piek op 1,55  μm worden gehouden door sets van resonatorhoogtewaarden fijn te selecteren. De maximale verhouding van transparante piek tot absorptiedal kan meer dan 10 dB zijn. De breedte en de doorlaatbaarheid hebben beide een positieve relatie met het hoogteverschil. In figuur 4c is de volledige breedte op half maximum (FWHM) van de transparante band evenredig met het hoogteverschil met een ongeveer lineair gedrag, dat consistent is met het gedrag in figuur 3b. Vanwege het bestaan ​​van metallische dissipatie is de volledig transparante transmissie van het PIT-effect onpraktisch. De piekdoorlaatbaarheid neemt eerst snel toe met het toenemende hoogteverschil en heeft dan de neiging stabiel te zijn boven 0,8.

PIT-transmissie van de asymmetrische vlinderdasstructuur. een PIT Transmissie spectrum. b PIT-transmissiespectra voor variërend hoogteverschil. c FWHM en piektransmissie als functies van hoogteverschil

Zoals uitgewerkt in de bovenstaande secties, worden de vallei en de transparante piek bepaald door de structurele parameters en het mediummateriaal in de resonator en busgolfgeleider. Dus de PIT-gebaseerde detectie in de voorgestelde asymmetrische vlinderdasstructuur is haalbaar. Voorheen werden de golfgeleider en resonatoren van de bus gevuld met lucht, dat wil zeggen leeg en kunnen ze worden gebruikt als container voor vloeistof. In de simulatie zijn de busgolfgeleider en resonatoren gevuld met vloeistof. De brekingsindex varieert van 1,30 tot 1,40 en omvat diverse veel voorkomende vloeistoffen van water, aceton, methylalcohol, ethylalcohol, propylalcohol, glucose-oplossing, enz. [26]. Zoals weergegeven in figuur 5a, gedraagt ​​de transparante piek zich roodverschuiving met de toenemende brekingsindex van de vloeistof. Elke piek kan duidelijk worden onderscheiden en de piektransmissie blijft bijna stabiel. In figuur 5b zijn de functies van de piekgolflengte als de brekingsindex voor hoogteverschillen van 50 nm, 70 nm, 90 nm, 120 nm en 150 nm recht evenredig. De golflengteverschuiving heeft een uitstekende lineariteit. De berekende gevoeligheden voor de hoogteverschillen zijn allemaal ongeveer gelijk aan 1140 nm/RIU, en de bijbehorende detectieresolutie is 8,8 × 10 ⁻⁵ RIU. De asymmetrische vlinderdas PIT-gebaseerde sensor heeft dus een zeer hoge gevoeligheid en uitstekende immuniteit voor fabricageafwijkingen.

PIT-gebaseerde detectie-eigenschappen. een Transmissiespectra van 90 nm hoogteverschil voor brekingsindex variërend van 80 tot 120 nm. b Afhankelijkheid van piekgolflengte van brekingsindex voor verschillende hoogteverschillen