Hoog-Efficiënte Dichroïsche Optische Diode met Dubbele Versplaatste Metallische Rosters

Samenvatting

Een optische diodestructuur met twee versplaatste parallelle metallische roosters wordt voorgesteld en numeriek onderzocht. Dichroïsche optische diodetransmissie wordt in deze structuur gerealiseerd, d.w.z., het optische diodefunctie wordt waargenomen in twee golflengtebanden die overeenkomen met inverse transmissierichtingen. In de structuur worden twee parallelle metallische roosters met verschillende roosterconstanten gescheiden door een dielektrische plaat ertussen. De eerste verlichte rooster fungeert als selector voor het exciteren van oppervlakteplasmonen bij een passende golflengte. De andere rooster fungeert als emitter om optische transmissie te realiseren. Wanneer de invalsrichting omgekeerd wordt, wisselen de rollen van de twee roosters en worden oppervlakteplasmonen geëxciteerd bij een andere golflengte. In de dichroïsche transmissiebanden vertoont de optische diodestructuur uitzonderlijke transmissie en bezit een hoge optische isolatie tot 1. Verder kunnen de werkende golflengtebanden gemoduleerd worden door structuurparameters te veranderen.

Inleiding

Optische diode, die fotonen in één richting doorlaat en transmissie in de omgekeerde richting verbiedt, heeft veel aandacht getrokken door de eenrichtings-transmissie-eigenschap [1]. Optische diodefuncties kunnen waargenomen worden wanneer de tijd-omkeersymmetrie van licht-materie-interactie gebroken wordt. Extern magnetisch veld [2], bias spanning [3], akoestische golf [4], of tijdsafhankelijke modulatie [5, 6] kunnen toegepast worden om het optische diodefunctie te bereiken. Bovendien is de structuur van ruimtelijke inversiesymmetriebreking een alternatieve keuze, zoals asymmetrische meerlaagse structuren [7], asymmetrische fotonische kristallen [8] en asymmetrische roosters [9]. In de laatste decennia kregen metaal micro-nano structuren grote interesse vanwege de veelbelovende eigenschappen van oppervlakteplasmonen (SPs). Plasmonische apparaten worden voorgesteld in veel onderzoeksgebieden 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 SPs kan gerealiseerd worden door de omringende dielektrische omgeving en geometrische parameters van metallische structuren te veranderen [20, 21]. Optische diodes samengesteld uit nanoschaalse metallische structuren, bijvoorbeeld plasmonische laag gesandwichte roosters [22, 23], cascaderende plasmonische roosters [24, 25], plasmonische nanogaten [26], plasmonische sleuf golfgeleider [27] en plasmonische nanopartikel aggregaten [28], worden breed onderzocht voor het doel van optische informatieverwerking.

In dit artikel wordt dichroïsche optische diodetransmissie verkregen in twee versplaatste parallelle metallische roosters die een dielektrische plaat insluiten. Zowel transmissieversterking als hoge isolatiecontrastverhouding worden bereikt in de twee werkende golflengtebanden met omgekeerde transmissierichtingen, omdat metallische roosters bestaande uit smalle sleuven uitzonderlijke lichttransmissie vertonen [29, 30] en asymmetrische structuren eenrichtingstransmissie realiseren [27,28,29,30,31]. Volgens de verlichte volgorde fungeren twee metallische roosters met verschillende roosterconstanten als selector en emitter respectievelijk. De selector selecteert de resonantiegolflengte door SPs te exciteren en, met de bijdrage van SPs, realiseert de emitter lichttransmissie. Wanneer de invalsrichting omgekeerd wordt, wisselen de rollen van de twee roosters en worden SPs geëxciteerd bij een andere golflengte. Daarom wordt de dichroïsche optische diodetransmissie verkregen. De dikte van de optische diodestructuur voorgesteld in dit artikel is zo klein als 160 nm. Met de ontwikkeling van nanofabricagetechnologieën kunnen veel methoden worden toegepast op de fabricage van metallische roosterstructuren, zoals ultraviolet nano-imprint lithografie [32], laser-direct-write lithografie [33] en elektronenbundel lithografie [34]. Het optische diodokarakter is onafhankelijk van de invalsintensiteit. Deze eigenschappen impliceren dat onze structuur uitgebreide potentiële toepassingen heeft in optische integratie.

Methoden

Het schema van de optische diodestructuur wordt getoond in Fig. 1. De structuur bestaat uit twee zilveren roosters G₁ en G₂ die een siliciumdioxide laag insluiten. De dikte van de siliciumdioxide laag wordt aangeduid als d. G₁ en G₂ hebben dezelfde sleufbreedte s, dezelfde dikte h, en verschillende roosterconstanten Λᵢ (i = 1, 2). De structuur is translatie-symmetrisch en de eenheidscel bevat 2 eenheden van G₁ en 3 eenheden van G₂. Δ geeft de laterale relatieve positie van G₁ en G₂ in een eenheidscel aan. Drude-model [35] wordt gebruikt om de dielectrische functie van zilver te beschrijven. De brekingsindex van siliciumdioxide is 1,5, de dispersie genegeerd. Het omringende dielektricum is lucht en de brekingsindex is 1. Normale invals p-gepolariseerde vlakke golf wordt gebruikt om het optische diodefunctie te onderzoeken.

Schematisch diagram van optische diodestructuur. a De eenheidscel. b Algemeen overzicht

Transmissie T van de optische diodestructuur wordt als volgt gedefinieerd:

waar Pᵢ de invalsvermogen is en Pₒ het uitgangsvermogen. T wordt numeriek gesimuleerd door gebruik te maken van de finite-difference time-domain (FDTD) methode [36]. Periodieke randvoorwaarden worden toegepast op de linker- en rechterzijden, en perfect matched layer grenzen worden toegepast op de boven- en onderzijden van ons simulatiemodel. T_D en T_U vertegenwoordigen de transmissie voor neerwaartse inval en opwaartse inval, respectievelijk. De optische diodoeigenschap wordt beschreven door isolatiecontrastverhouding η:

Dus, η = 1 betekent de beste optische diodoprestatie.

Resultaten en Theoretische Analyses

De transmissie en isolatiecontrastverhouding van de optische diodestructuur worden getoond in Fig. 2. T_D verschilt van T_U wanneer de invalsgolflengte kleiner is dan λ_C. T_D bereikt de maximumwaarde 0,73 en T_U is 3,7 × 10⁻³ bij λ_D (1315 nm). Terwijl T_U de maximumwaarde 0,82 bereikt en T_D 3,6 × 10⁻⁴ is bij λ_U (921 nm). De isolatiecontrastverhoudingen bij λ_D en λ_U zijn respectievelijk 0,990 en 0,999. Figuur 2 toont dat het optische diodefunctie wordt verkregen rond λ_D en λ_U, en de twee golflengtebanden hebben omgekeerde transmissierichtingen. In de dichroïsche diode werkende golflengtebanden vertoont de structuur uitzonderlijke transmissie.

Transmissiespectra en de isolatiecontrastverhouding van de optische diodestructuur met d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, Λ₂ = 600 nm, en Δ = 0 nm

Om de dichroïsche optische diodetransmissie te begrijpen, wordt de elektrisch veldintensiteit |E|² bij twee werkende golflengtebanden gesimuleerd. Zoals getoond in Fig. 3a, d, wordt het elektrisch veld versterkt tussen de twee roosters wanneer licht door de optische diodestructuur transmiteert. Tegelijkertijd tonen Fig. 3b, c de omgekeerde blokkeringsstatus. De versterking van het elektromagnetisch veld tussen de twee roosters is te wijten aan de SPs op twee aangrenzende zilver/siliciumdioxide interfaces. De typen SPs bij de twee roosters zijn verschillend, geclassificeerd als gestructureerde SPs (SSPs) en geïnduceerde SPs (ISPs) respectievelijk. SSPs wordt geëxciteerd en gegenereerd bij de eerste verlichte rooster (selector). ISPs wordt geïnduceerd bij de latere rooster (emitter) door de koppeling tussen SPPs en de aangrenzende zilver/siliciumdioxide interface. Vanwege SSPs en ISPs transmiteert licht door de optische diodestructuur.

Distributies van elektrisch veldintensiteit |E|² voor neerwaartse inval bij λ_D = 1315 nm (a), opwaartse inval bij λ_D = 1315 nm (b), neerwaartse inval bij λ_U = 921 nm (c), en opwaartse inval bij λ_U = 921 nm (d)

Oppervlakteladingsdichtheid op de zilver/siliciumdioxide interface en E_y component van de elektrisch velddistributie worden geïllustreerd in Fig. 4 om de SPs koppelingsfuncties te onthullen. In Fig. 4a hebben G₁ en G₂ tegenovergestelde ladingen op hun aangrenzende oppervlakken, wat vergelijkbaar is met een platte condensator. Onder de voorwaarde van neerwaartse inval fungeert G₁ als selector om SSPs te exciteren bij λ_D. De periodieke oppervlakteladingsdichtheidsverdeling vertegenwoordigt dat SPPs wordt bepaald door de roosterconstante van G₁. G₂ ondersteunt de ISPs geïnduceerd door SPPs en fungeert als emitter voor transmissie. E_y tussen G₁ en G₂ wordt versterkt door de koppeling tussen SPPs en ISPs, zoals getoond in Fig. 4b. Voor de opwaartse invalsvoorwaarde getoond in Fig. 4c, d, fungeert G₂ als de selector en G₁ als de emitter.

De oppervlakteladingsdichtheid op de zilver/siliciumdioxide interface bij G₁ en G₂, onder de voorwaarde van neerwaartse inval bij λ_D = 1315 nm (a) en opwaartse inval bij λ_U = 921 nm (c). E_y component van het elektrisch veld onder de voorwaarde van neerwaartse inval bij λ_D = 1315 nm (b) en opwaartse inval bij λ_U = 921 nm (d)

Zoals te zien is in Fig. 4, is het transmissieveld periodiek en niet-uniform in de horizontale (x-as) richting. De periode Λ (Λ = 2Λ₁ = 3Λ₂) van de transmissievelddistributie wordt gemoduleerd door de geïntegreerde optische diodestructuur en voldoet aan 2π/Λ = |g₁-g₂|, hier is gᵢ de roostervector van Gᵢ (i = 1, 2). De roosterdiffractie-efficiëntie wordt verhoogd door het bestaan van SPs. De laterale golfvector κ van getransmitteerd licht ontstaat uit de superpositie van g₁ en g₂:

En het besluit de kritieke golflengte λ_C (λ_C = 2π/|κ|) voor T_D ≠ T_U. Volgens Verg. (3) is λ_C 1800 nm voor onze structuur hierboven genoemd, wat in goede overeenstemming is met de simulateresultaten λ_C = 1806 nm getoond in Fig. 2. Optische diodefuncties verschijnen in het bereik van λ ≤ λ_C. Volgens de simulateresultaten is de periode van de geïntegreerde roosters (1800 nm) groter dan de diode werkende golflengtes (1315 nm en 921 nm). Multi-orde diffractiecomponenten kunnen verkregen worden met lichtverstrooiing van de geïntegreerde roosters. Dus is het transmissieveld niet uniform langs de richting parallel aan de roosters, zelfs wanneer het licht naar het verre veld getransmitteerd wordt.

SSPs van het zilveren rooster zijn vergelijkbaar met SPs op vlakke zilver/siliciumdioxide interface behalve dat SPs radiatieve modus zijn [37], terwijl SPs volledig oppervlakte-gebonden modi zijn. SSPs kunnen benaderd worden als SPs op vlakke zilver/siliciumdioxide interface wanneer de sleuven van roosters extreem smal zijn. Dus kan de dispersierelatie van SSPs worden geschreven als [38] volgt:

waar k₀ de vrije-ruimte golfvector is en ε_m en ε_d de dielectrische coëfficiënt van zilver en siliciumdioxide, respectievelijk. De dispersierelatie beschreven door Verg. (4) is geïllustreerd in Fig. 5. Dispersiecurve berekend door gebruik te maken van Drude-model parameters [35] in dit artikel past goed bij die berekend door gebruik te maken van Johnson en Christy's optische constant data sets [39] wanneer fotonenergie onder 2,75 eV (λ > 450 nm) is. In Fig. 5 vertegenwoordigen de verticale rode en zwarte streepjes |g₁| en |g₂|, respectievelijk. SSPs wordt geëxciteerd door het rooster wanneer de vector matching voorwaarde [40] vervuld is:

Dispersie van SPs op vlakke zilver/siliciumdioxide interface berekend door gebruik te maken van Drude-model en Johnson en Christy's optische constant data. De verticale rode en zwarte streepjes vertegenwoordigen roostervector modulus |g₁| en |g₂|, respectievelijk

Voor normale inval (θ = 0°), heeft de eerste-orde (N = 1) diffractie van een rooster de hoogste diffractie-efficiëntie, d.w.z., de grootste excitatie-efficiëntie voor SSPs. Dus wordt Verg. (5) vervuld bij de rode en zwarte punten getoond in Fig. 5:

In de optische diodestructuur is G₁ de selector om SSPs te exciteren voor neerwaartse inval en G₂ de selector voor opwaartse inval. G₁ en G₂ hebben verschillende roosterconstanten, dus worden SSPs geëxciteerd bij verschillende golflengtes voor omgekeerde invalsrichtingen. In Fig. 5 is de fotonenergie bij de rode punt 0,91 eV en de golflengte 1365 nm, wat overeenkomt met λ_D (1315 nm) getoond in Fig. 2. Op dezelfde wijze is de fotonenergie aangegeven door de zwarte punt 1,04 eV en de golflengte 924 nm, overeenkomend met λ_U (921 nm) in Fig. 2. Als benadering van rooster naar plaat, zijn de SSPs resonantiegolflengtes berekend door gebruik te maken van Verg. (4) en Verg. (6) niet exact gelijk aan de gesimuleerde door gebruik te maken van FDTD methoden getoond in Fig. 2.

Vergelijking (5) geeft aan dat invalshoek θ de golfvector matching voorwaarde van rooster naar SSPs beïnvloedt. Met het veranderen van θ worden de transmissie en isolatiecontrastverhouding bij λ_D (1315 nm) en λ_U (921 nm) gesimuleerd en getoond in Fig. 6a, b, respectievelijk. Met θ toenemend van 0° tot 10°, daalt T_D bij λ_D en T_U bij λ_U door de golfvector mismatching tussen gᵢ en SSPs. (T_D bij λ_D daalt tot 0 wanneer θ ≈ 40° en T_U bij λ_U daalt tot 0 wanneer θ ≈ 35°.) In invalshoekbereik van 0° ≤ θ ≤ 5°, zijn T_D bij λ_U en T_U bij λ_D bijna 0, en η blijft altijd groter dan 0,98 bij zowel λ_U als λ_D. Figuur 6 demonstreert dat de structuur goed optisch diodefunctie vertoont bij λ_D en λ_U onder kleine-hoek inval.

De invloed van invalshoek op 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 zijn beperkt door fabricagenauwkeurigheid. De invloed van d en Δ op transmissiespectra en de isolatiecontrastverhoudingen worden getoond in Fig. 7 en 8, respectievelijk. Figuur 7 toont dat de werkende golflengtebanden van de optische diode een lichte roodverschuiving vertonen wanneer d toeneemt. Tegelijkertijd daalt de maximumwaarde van T_D heel weinig, maar de maximumwaarde van T_U daalt significant. De toename van d zal de lichttransmissieafstand door de structuur verlengen, de elektromagnetische interactie tussen G₁ en G₂ verzwakken, en de geladen dichtheid geïnduceerd aan het oppervlak van de emitter verzwakken. Zoals gezien in Fig. 4, fungeren laden verdeeld aan sleuphoeken van de emitter als elektrische dipolbronnen van het transmissieveld. Laddingsdichtheid aan sleuphoeken van de emitter G₂ (Fig. 4a) is veel groter dan die aan sleuphoeken van de emitter G₁ (Fig. 4c), dus d beïnvloedt minder de maximumwaarde van T_D dan die van T_U. Daarnaast, met de toename van d, verschijnen kleine pieken gemarkeerd als FP₁ en FP₂ in T_U en de transmissiepiep van FP₁ vertoont een grote roodverschuiving. Elektrisch veldintensiteit |E|² distributies bewijzen dat FP₁ en FP₂ voortkomen uit 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, Λ₁ = 900 nm, Λ₂ = 600 nm, en Δ = 0 nm. De insets zijn distributies van elektrisch veldintensiteit |E|² voor opwaartse transmissieresonanties

De invloed van Δ op transmissiespectra en de isolatiecontrastverhouding. Δ = 50 nm = Λ₂/12 (a), Δ = 100 nm = Λ₂/6 (b), en Δ = 150 nm = Λ₂/4 (c) wanneer d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, en Λ₂ = 600 nm. De insets in (b) zijn E_y distributies voor opwaartse transmissieresonanties

Zoals getoond in Fig. 1, is de optische diodestructuur periodiek en het heeft dezelfde eenheidscel wanneer Δ = a ± MΛ₂/2 (0 nm < a < Λ₂/2 en M = 0, 1, 2…). Bovendien is de eenheidscel van Δ = a links-rechts flip symmetrisch met die van Δ = −a ± MΛ₂/2 en ze kunnen hetzelfde transmissie-effect realiseren. Dus wordt de transmissie van de optische diodestructuur beïnvloed door Δ als: T(Δ) = T(Δ + Λ₂/2) = T(−Δ + Λ₂/2). Zoals getoond in Fig. 8, schakelt het optische diodefunctie bij λ~921 nm aan en uit binnen een periode van Λ₂/2 als Δ toeneemt. Echter, de transmissiepiek van T_D vertoont een lichte blauwverschuiving en het optische diodefunctie bij λ~1315 nm is altijd aan wanneer Δ toeneemt. Gezien in Fig. 8a, duikt een nieuwe transmissiepiek bij λ_N op in T_U curve bij λ_U. Wanneer Δ toeneemt van Λ₂/12 tot Λ₂/6, vertoont de piek bij λ_N een blauwverschuiving terwijl de piek bij λ_U een roodverschuiving vertoont (Fig. 8a, b). E_y distributies voor transmissieresonanties bij λ_U en λ_N worden ingevoegd in Fig. 8b. Volgens de simulateresultaten genereert de resonantie bij λ_N door energiesplitsing. Wanneer Δ toeneemt tot Λ₂/4, getoond in Fig. 8c, wordt T_U onderdrukt en verdwijnen twee transmissieresonanties, wat het optische diodefunctie uitschakelt bij λ~921 nm.

Volgens de theoretische analyse kan de werkende golflengteband van de optische diode in een bepaald bereik verkregen worden door roosterparameters te optimaliseren. Figuur 9 toont dat de dichroïsche optische diodetransmissie bereikt wordt in het zichtbare lichtbereik met structuurparameters d = 100 nm, Λ₁ = 450 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, en Δ = 0 nm. De maximum transmissies van de dichroïsche diode transmissiebanden 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, Λ₁ = 450 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, en Δ = 0 nm

Verder beïnvloedt ook het component van de eenheidscel in onze structuur de optische diodefuncties. Volgens Verg. (5) hangen de golflengtebanden van het diodefunctie af van Λ₁ en Λ₂. In ons onderzoek selecteren we de eenheidscel bestaande uit 2 eenheden van G₁ en 3 eenheden van G₂, d.w.z., 2Λ₁ = 3Λ₂, om hoge transmissies en goede isolatiecontrastverhoudingen in de optische diodogolflengtebanden tegelijkertijd te verkrijgen. Bijvoorbeeld, Fig. 10 toont de dichroïsche transmissie van de optische diodestructuur met een eenheidscel bestaande uit 3 eenheden van G₁ en 4 eenheden van G₂. De optische diodefuncties worden verkregen bij 530 nm met T_U = 72% en 659 nm met T_U = 76%. De isolatiecontrastverhoudingen bij de twee golflengtes zijn verminderd tot 0,912 en 0,987, omdat het verschil van |g₁| en |g₂| klein is en het rooster dat als selector fungeert de SSPs van beide roosters kan exciteren bij verschillende efficiënties. Bovendien, wanneer Λ₁ = 2Λ₂, kan de SPs transmissieresonantie in de optische diodestructuur veroorzaakt door de eerste-orde diffractie van G₂ ook geëxciteerd worden door de tweede-orde diffractie van G₁ voor 2g₁ = g₂, wat de isolatiecontrastverhouding zou verminderen. Dus vereist het goede optische diodoeigenschap dat twee roosterconstanten een voldoende verschil moeten hebben en de gehele veelvoud relatie moeten vermijden.

Transmissiespectra en de isolatiecontrastverhouding voor de optische diodestructuur met de eenheidscel inclusief 3 eenheden van G₁ en 4 eenheden van G₂. d = 100 nm, Λ₁ = 400 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, en Δ = 0 nm

Conclusies

De dichroïsche optische diodetransmissie gebaseerd op SPs is gerealiseerd in onze structuur, die bestaat uit twee versplaatste parallelle zilveren roosters en een siliciumdioxide tussenlaag. De eerste verlichte metallische rooster selecteert de transmissieband door SSPs te exciteren, en de andere metallische rooster emiteert elektromagnetische energie voorwaarts door de oppervlakte-elektronoscillaties. Wanneer de invalsrichting van licht omgekeerd wordt, wisselen de rollen van de twee roosters en verschijnt een andere optische diodetransmissieband. De optische isolatieverhouding kan bijna 1 bereiken. Optische diodetransmissiebanden kunnen aangepast worden in verschillende regio's door structuurparameters te veranderen. De optische diodowerkende golflengtebanden en transmissie zijn onafhankelijk van de invalsintensiteit. De dikte van de structuur is slechts enkele honderden nanometers. Deze eigenschappen van onze structuur bieden een breed bereik aan toepassingen in geïntegreerde schakelingen.

Afkortingen

ISPs:

Geïnduceerde oppervlakteplasmonen

SPs:

Oppervlakteplasmonen

SSPs:

Gestructureerde oppervlakteplasmonen