Plasmon‑geïnduceerde transparantie via asymmetrische bowtie‑resonatoren voor on‑chip optische communicatie

Methoden

Het schema van de asymmetrische bowtie‑structuur is afgebeeld in Fig. 1, waar de achtergrond‑materiaal in blauw zilver is, wiens permittiviteit beschreven wordt door het Drude‑model \( {\varepsilon}_r={\varepsilon}_{\infty }-{\omega}_p^2/\left({\omega}^2+ j\gamma \omega \right) \), met ε_∞=3,7, ω_p=9,1 eV en γ=0,018 eV. De parameters die hier in de bovenstaande vergelijking worden gebruikt, passen de experimentele data bij optische communicatiefrequenties [25]. Alle MIM‑golfgeleiders zijn gevuld met lucht. De lange strip in het midden van de structuur is de bus‑golfgeleider voor het transporteren van licht. Aan beide kanten van de bus zijn de bowtie‑resonatoren. De bowtie‑resonatoren zijn asymmetrisch met verstemde structurele parameters zoals hoogte en hoek aangeduid door H_u, H_d, θ_1 en θ_2. De topen van de driehoeken in de bowtie liggen in het midden van de bus‑golfgeleider. Dus hebben de bowtie‑resonatoren kleine verbindingen met de bus‑golfgeleider die efficiënte koppeling tussen hen mogelijk maken. De breedte van de bus‑golfgeleiders is vastgezet op 100 nm en de lengte van de bus‑golfgeleider heeft geen effect op het PIT‑transmissiespectrum behalve transmissie‑verlies. Dus de lengte is vastgezet op 1 µm rekening houdend met compactheid en integratie. Twee roosters aan beide uiteinden van de bus‑golfgeleider dienen om wijd‑band of golflengte‑zwervende lichtbron te injecteren en transmissiespectrum te verzamelen. Transmissiespectrum werd numeriek berekend met de eindige‑elementen‑methode met strooi‑randvoorwaarden. In de numerieke simulatie werd een vlakke golf geïnjecteerd vanaf het linker rooster van de bus‑golfgeleider door een poort om de fundamentele TM‑modi van SPs op te wekken. Het getransmitteerde licht werd verzameld vanaf het rechter rooster van de bus‑golfgeleider wat gedefinieerd is als T = P_out/P_in, waar P_in = ∫ Poavz dS_1 en P_out = ∫ Poavz dS_2; Poavz is de z‑component van tijdsgemiddelde stroom. De transmissiespectra van de structuur worden verkregen door parametrisch de invoer‑golflengte te zwerven. Deze asymmetrische bowtie‑structuur kan gefabriceerd worden door de volgende stappen: eerst een Ag‑film met een dikte van 500 nm op een silica/silicium‑substraat depositeren; dan een silica‑film met een dikte van 500 nm depositeren; ten slotte het vereiste patroon inclusief roosters fabriceren door EBL etsen. Het voorgestelde opening‑gekoppelde schema heeft potentiële minder strenge fabricatie‑eisen dan apparaten gebaseerd op evanescent‑koppeling en kan gebruikt worden om efficiënte koppeling in andere belangrijke MIM‑plasmonische structuren te bereiken.

Schematisch diagram van de asymmetrische bowtie‑structuur

Resultaten en discussie

In tegenstelling tot normale rechthoekige resonatoren, worden de driehoekige resonatoren in de bowtie bepaald niet alleen door de zijkantlengte, maar ook door hoeken. Dus onderzoeken we eerst de impact van de hoek verbonden met de bus‑golfgeleider op de transmissie en resonante eigenschappen van de voorgestelde structuur met een enkele driehoekige resonator. De transmissiespectra van een enkele driehoekige resonator worden getoond in Fig. 2. Alle hoogtes van de resonator zijn vastgezet op 0,8 µm. De bovenhoek van de driehoekige resonator is verbonden met de bus‑golfgeleider, wat elektromagnetische energie zijdelingse koppelt van de bus‑golfgeleider in de driehoekige resonator. Dus diepe transmissie‑valleien verschijnen op de spectra in Fig. 2. Hun hoeveelheid, bandbreedte en valleigolflengtes worden bepaald door de structurele parameters van de resonator. Voor de hoek van 20° zijn er twee diepe transmissie‑valleien op het spectrum. De resonante vallei bij de langere golflengte is 0de orde in longitudinale en horizontale richting respectievelijk. Met afnemende golflengte staat de resonatorhoogte nog één staande‑golf‑knoop toe, wat 1ste orde is in de longitudinale richting. De situatie voor de hoek van 40° is vergelijkbaar met die van 20°. Naarmate de hoek toeneemt, ontstaat er een extra resonante vallei in het spectrum. De grotere hoek zorgt ervoor dat de modale verdeling splitst in horizontale richting, wat een hoge‑orde modus van 1ste orde in horizontale richting vormt. Voor een grotere hoek van 80° splitst de modus van L: 0de orde in horizontale richting vormend L: 1ste; H: 1ste modus. Dus de toenemende hoek resulteert in zowel de verschuiving van de golflengte als de splitting van de modale verdeling in horizontale richting, vormende hoge‑orde modi. De verschuivende golflengte heeft geen directe relatie met de hoek, omdat de variatie van de hoek ook de zijkantlengte verandert. Om de resonante eigenschappen stabiel te houden, worden kleine hoeken bevorzugd.

Transmissiespectra van de enkele driehoekige resonator voor hoeken van 20° (a), 40° (b), 60° (c) en 80° (d). Insets zijn magnetisch veld H_z corresponderend met de resonante golflengtes

De hoogte van de resonator is de sleutelparameter voor de resonante eigenschappen. De transmissiespectra van het apparaat met een enkele driehoekige resonator voor resonatorhoogte variërend van 0,8 tot 1,1 µm worden getoond in Fig. 3a. Een caviteitshoek van 40° werd geselecteerd tijdens de simulatie. Binnen het golflengtebereik van 1,2 tot 1,8 µm heeft elk van de spectra een enkele dip, wat de resonante vallei betekent. Alle vallei‑transmissiviteiten zijn rond 0,1. Zoals de elektromagnetische verdeling van H_z bij de resonante en niet‑resonante golflengtes toont in de insets van Fig. 3a, koppelt het merendeel van de elektromagnetische energie in de driehoekige resonator bij de resonante golflengte, terwijl de meeste andere golflengtes van de geïnjecteerde wijdband‑licht door de bus‑golfgeleider worden getransmitteerd. Met toename van de hoogte vertoont de valleigolflengte rode‑verschuiving‑gedrag. Zoals getoond in Fig. 3b, is de verschuivende golflengte evenredig met de hoogte met uitstekende lineariteit. De verschuiving van de resonante golflengte kan verklaard worden via de staande‑golf‑voorwaarde Nλ_N = 2 n_g L, N = (1, 2, 3…). Voor een specifiek N zorgt de grotere hoogte van de driehoekige resonator voor rode‑verschuiving van de resonante golflengte, terwijl de kortere hoogte blauwe‑verschuiving veroorzaakt. Voor verschillende hoeken blijft de relatie tussen de resonante golflengte en hoogte vergelijkbaar, wat fabricage haalbaar maakt zonder strikte eisen.

Transmissie‑eigenschappen van de enkele driehoekige resonator. a Transmissiespectra van de enkele driehoekige resonator voor varierende hoogte. b Afhankelijkheid van resonante golflengte van hoogte voor hoeken van 40°, 60° en 80°. Insets zijn magnetisch veld H_z corresponderend met de resonante en niet‑resonante golflengtes

Om PIT‑transmissie te realiseren, is sterke koppeling tussen dubbele resonatoren met licht verstemde caviteitslengte vereist. De voorgestelde asymmetrische bowtie‑structuur samengesteld uit driehoekige resonatoren met licht verstemde hoogtes maakt sterke koppeling tussen de resonatoren mogelijk. Door de hoogtes van de dubbele driehoekige resonatoren fijn af te stellen, zal een transparante transmissie‑piek verschijnen in het 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 behouden en de hoogtes fijn geselecteerd om de PIT‑transmissieband te laten liggen rond 1,55 µm voor toepassingen in optische communicatie. Het transmissiespectrum van de enkele resonator met een hoogte van 0,93 µm is afgebeeld als de gestippelde rode lijn. De vallei ligt op 1,47 µm. Om structureel verschil samen met valleiverschil te introduceren, wordt de enkele resonator met een hoogte van 1,02 µm gebruikt om de vorige resonator te paren. Het spectrum is afgebeeld als de blauwe gestippelde lijn en de vallei ligt op 1,61 µm. Vervolgens koppelt de elektromagnetische energie binnen de gepaarde resonatoren sterk, wat een transmissiespectrum vormt met twee diepe valleien en één transparante piek, afgebeeld als de zwarte continue lijn. De transparante piek ligt in het midden tussen de twee diepe valleien, wat een verboden band was voor enkele resonatoren. Zoals de insets tonen, bij de eerste vallei koppelt het merendeel van de elektromagnetische energie in de resonator onder de bus‑golfgeleider in plaats van de bovenste resonator. Bij de tweede vallei koppelt het merendeel van de elektromagnetische energie in de bovenste resonator in plaats daarvan. Dit is erg vergelijkbaar met die van enkele resonatoren. Bij de transparante piek, rond 75% elektromagnetische energie transmiteert door de bus‑golfgeleider, en slechts een klein deel koppelt in de asymmetrische bowtie‑resonatoren, wat een transparante band vormt voor de voortplantende elektromagnetische energie. Het is op te merken dat PIT ook verkregen kan worden in asymmetrische bowtie‑structuur met verschillende hoeken. Echter, de valleigolflengte samen met de piekgolflengte varieert niet monotoon met de hoek, wat leidt tot zeer moeilijke controle van de transparante piek. Bovendien, zoals eerder vermeld, geeft de resonator met grotere hoeken aanleiding tot multi‑mode resonantie, wat nadelig is voor de controle van het PIT‑effect. Daarom wordt alleen de hoogte‑verschil‑geïnduceerde PIT in dit artikel uitgewerkt. Het PIT‑effect in de voorgestelde asymmetrische bowtie‑structuur is gevoelig voor de hoogte. Om de transparante piek bij de optische communicatiegolflengte te behouden, worden verschillende sets hoogte‑waarden met hoogte‑verschil van 30 tot 190 nm geselecteerd om de impact van hoogte‑verschil op het PIT‑effect te onderzoeken. Zoals getoond in Fig. 4b, door fijn selectie van sets resonator‑hoogte‑waarden, kan de transparante piek op 1,55 µm gehouden worden. De maximale verhouding van transparante piek tot absorptie‑vallei kan meer dan 10 dB bedragen. De breedte en transmissiviteit hebben beide een positieve relatie met hoogte‑verschil. In Fig. 4c is de full width at half maximum (FWHM) van de transparante band evenredig aan het hoogte‑verschil met een ongeveer lineair gedrag, wat consistent is met het gedrag in Fig. 3b. Vanwege het bestaan van metaal‑dissipatie is de volledig transparante transmissie van PIT‑effect onpraktisch. De piek‑transmissiviteit neemt eerst snel toe met toenemend hoogte‑verschil en neigt daarna tot stabiliteit boven 0,8.

PIT‑transmissie van de asymmetrische bowtie‑structuur. a PIT‑Transmissiespectrum. b PIT‑transmissiespectra voor varierende hoogte‑verschil. c FWHM en piek‑transmissiviteit als functies van hoogte‑verschil

Zoals uitgewerkt in de bovenstaande secties, worden de vallei en transparante piek bepaald door de structurele parameters en medium‑materiaal binnen de resonator en bus‑golfgeleider. Dus PIT‑gebaseerde sensing in de voorgestelde asymmetrische bowtie‑structuur is haalbaar. Eerder werden de bus‑golfgeleider en resonatoren gevuld met lucht, wat leeg betekent en kan dienen als container voor vloeistof. In de simulatie worden de bus‑golfgeleider en resonatoren gevuld met vloeistof. De brekingsindex varieert van 1,30 tot 1,40, wat diverse veelvoorkomende vloeistoffen van water, aceton, methylalcohol, ethylalcohol, propylalcohol, glucose‑oplossing, etc. dekt [26]. Zoals getoond in Fig. 5a, gedraagt de transparante piek rode‑verschuiving met toenemende brekingsindex van de vloeistof. Elke piek kan duidelijk onderscheiden worden en de piek‑transmissiviteit blijft bijna stabiel. In Fig. 5b zijn de functies van piekgolflengte als de brekingsindex voor hoogte‑verschillen van 50 nm, 70 nm, 90 nm, 120 nm en 150 nm recht evenredig. De golflengte‑verschuiving heeft uitstekende lineariteit. De berekende gevoeligheden voor de hoogte‑verschillen zijn allemaal ongeveer gelijk aan 1140 nm/RIU, en de corresponderende sensorresolutie is 8,8 × 10⁻⁵ RIU. Dus de asymmetrische bowtie PIT‑gebaseerde sensor heeft een zeer hoge gevoeligheid en uitstekende immuniteit tegen fabricatie‑afwijkingen.

PIT‑gebaseerde sensing‑eigenschappen. a Transmissiespectra van 90‑nm hoogte‑verschil voor brekingsindex variërend van 80 tot 120 nm. b Afhankelijkheid van piekgolflengte van brekingsindex voor verschillende hoogte‑verschillen

Conclusies

We hebben een asymmetrische bowtie‑structuur voorgesteld om het PIT‑effect te realiseren. Transmissie‑eigenschappen van resonatoren met verschillende structurele parameters werden numeriek berekend met de eindige‑elementen‑methode. Door de sterke koppeling tussen de verstemde driehoekige resonatoren kan een transparante transmissieband verkregen worden in het verboden band van enkele resonatoren. Met alle drie dimensies kleiner dan de vrij‑ruimte‑golflengte heeft het apparaat een eenvoudige en ultra‑compacte structuur. Het apparaat heeft ook uitstekende immuniteit tegen fabricatie‑afwijkingen, wat het makkelijk te maken maakt zonder strikte eisen. Verder werd PIT‑gebaseerde sensing‑eigenschap gedemonstreerd met de voorgestelde asymmetrische bowtie‑structuur. Het apparaat kan een maximale gevoeligheid van 1140 nm/RIU bereiken; de corresponderende sensorresolutie is 8,8 × 10⁻⁵ RIU. De gevoeligheid heeft uitstekende lineariteit en consistentie voor varierende hoogte‑verschil. Dus onze voorgestelde asymmetrische bowtie‑structuur biedt een nieuw platform voor on‑chip EIT‑achtige apparaten en brekingsindex‑sensoren.

Beschikbaarheid van data en materialen

De dataset is beschikbaar zonder beperkingen.

Afkortingen

EIT:

Elektromagnetisch geïnduceerde transparantie

FWHM:

Volledige breedte op half maximum

MIM:

Metaal‑isolator‑metaal

PIT:

Plasmon‑geïnduceerde transparantie