Dual-mode on-to-off modulatie van plasmon-geïnduceerde transparantie in grafeen terahertz metasurfaces

Samenvatting

We demonstreren een instelbaar plasmon-geïnduceerde transparantie (PIT) effect in een gepatroned grafeen metasurface samengesteld uit afwisselende linten en stroken. Finitie-differentie tijd-domein (FDTD) simulaties en gekoppelde-modus theorie (CMT) onthullen dat twee onafhankelijke grindsparningen selectief de linker of rechter transmissiedips kunnen onderdrukken, wat een dual-mode on-to-off modulator oplevert. De structuur levert gelijktijdig 50% absorptie en een 0,7 ps groepsvertraging, wat de belofte benadrukt voor THz absorbers en trage-licht apparaten. Gedetailleerde koppelingsstudies verduidelijken de rol van geometrie, wat een veelzijdig platform voor multifunctionele modulators biedt.

Inleiding

Oppervlakteplasmon-polaritonen (SPPs) maken sub-golflengte insluiting en sterke nabij-veldenversterking mogelijk, wat ze onmisbaar maakt voor geïntegreerde photonica. Terwijl metaal-gebaseerde SPPs lijden aan intrinsieke verliezen, biedt monolaag grafeen lage-verlies, instelbare plasmonische modi in de mid-infrarood en THz regimes. De ladingsdragerdichtheid van grafeen kan gemoduleerd worden door electrostatische grindsparning, wat dynamische controle van de optische respons mogelijk maakt zonder structurele herconfiguratie.

Plasmon-geïnduceerde transparantie (PIT) ontstaat door destructieve interferentie tussen een lichte (superradiant) en een donkere (subradiant) mode. In grafeen metasurfaces is PIT gerapporteerd in enkelvoudige linten, meervoudige stapels, en hybride structuren. Echter, de meeste ontwerpen laten alleen enkelvoudige modus-tuning toe, typisch door het Ferminiveau te verschuiven, en missen efficiënte on-to-off schakeling van de transmissiepiek.

Hier stellen we een grafeen metasurface voor bestaande uit periodiek gerangschikte linten en stroken op een siliciumsubstraat. Twee onafhankelijke grindelektroden stellen de Ferminiveaus van linten en stroken onafhankelijk in, wat dual-mode controle van PIT toelaat. Het ontwerp is compatibel met CVD-gegroeid grafeen en eenvoudige transferprocessen, wat hoge opbrengst en lage vlakweerstand garandeert.

Methoden

De metasurface eenheidscel (Fig. 1c) bevat een grafeen lint (lengte 6 µm, breedte 4 µm) en een grafeen strook (lengte 2,9 µm, breedte 0,8 µm) gescheiden door een afstand d = 0,8 µm en lateraal verschoven met S = 1,55 µm. Het siliciumsubstraat (dikte 300 nm) biedt de diëlektrische omgeving. Grindspanning Vg1 (linten) en Vg2 (stroken) stellen de respectievelijke Ferminiveaus in via

waarbij de parameters de verminderde Planckconstante, Fermisnelheid, en diëlektrische constanten zijn. Ladingsdragerconcentraties tot 4×10¹⁸ m⁻² (E_f ≈ 1,17 eV) zijn experimenteel bereikt. De optische geleiding wordt gedomineerd door de intraband term:

met τ = μE_f/(ev_F²) en mobiliteit μ ingesteld op 1-3 m² V⁻¹ s⁻¹. De voortplantingsconstante β volgt uit de dispersierelatie van grafeen-ondersteunde SPPs (Verg. 7). We lossen het volledige-golfprobleem op met FDTD (CST Microwave Studio) en fitten de spectras met CMT (Verg. 13-15) om kwaliteitsfactoren en koppelingscoëfficiënten te extraheren.

Resultaten en discussie

Gesimuleerde transmissie (Fig. 2a) toont een enkelvoudige lichte resonantie in de strook (dip ≈ 7,9%) en een donkere mode in het lint (piek ≈ 1,0). Wanneer beide elementen coexisteren, bereikt de PIT-piek 88,6% door interferentie. Elektrisch-veldkarten bevestigen veldlokalisatie op zowel lint als strook, wat de verhoogde kwaliteitsfactor verklaart.

Dual-mode on-to-off schakeling wordt bereikt door Vg1 of Vg2 te variëren. Het fixeren van het Ferminiveau van de strook op 1,0 eV terwijl het lint wordt afgezocht van 0,6 tot 1,2 eV zorgt ervoor dat de linker dip verdiept (on→off) en blauwverschuift (≈ 0,3 THz). Omgekeerd, het afzoeken van de strook terwijl het lint wordt vastgehouden, produceert een vergelijkbaar effect op de rechter dip. De schakeldrempel (transmissie = 0,3) wordt bereikt tussen 0,8 en 1,0 eV voor beide modi, wat onafhankelijke controle mogelijk maakt.

Absorptiespectra (Fig. 4) tonen een 50% piek zelfs bij lage Ferminiveaus, door toegenomen intrinsieke verlies. Blauwverschuivingen gaan gepaard met hogere ladingsdragerdichtheden. CMT fits matchen FDTD-krommen, wat de geldigheid van het twee-oscillator model bevestigt.

Het verhogen van grafeen mobiliteit van 1 tot 3 m² V⁻¹ s⁻¹ verscherpt de PIT-dips, versmalt de 3 dB bandbreedte, en verhoogt de groepsvertraging tot 0,7 ps (Fig. 5). De negatieve groepsvertraging bij de dips wijst op snelle-licht gedrag. De faserespons schaalt ook met mobiliteit.

Geometrische tuning (Fig. 6) toont aan dat de koppelingsafstand d voornamelijk de linker dip beïnvloedt, terwijl de strookbreedte en -lengte de kwaliteitsfactor en spectrale scheiding beïnvloeden. Laterale verschuiving S heeft verwaarloosbaar effect onder x-gepolariseerde inval.

Conclusie

We hebben aangetoond dat een grafeen metasurface met onafhankelijk gegrepen linten en stroken een instelbare PIT-resonantie ondersteunt die in twee afzonderlijke frequentiebanden in- of uitgezet kan worden. Het apparaat bereikt gelijktijdig hoge absorptie (≈ 50%) en een significante trage-licht vertraging (0,7 ps). Door geometrie en ladingsdrager mobiliteit aan te passen, kan de spectrale positie, diepte en kwaliteit van de PIT worden afgestemd, wat een veelzijdig platform biedt voor THz modulators, absorbers en vertragingslijnen.