Transmisi Dioda Optik Dichroic dalam Dua Kisi Logam Paralel yang Dislokasi

Metode

Skema struktur dioda optik ditunjukkan pada Gambar. 1. Struktur terdiri dari dua kisi perak G ₁ dan G ₂ mengapit lapisan silika. Ketebalan lapisan silika dilambangkan sebagai d . G ₁ dan G ₂ memiliki lebar celah yang sama s , ketebalan yang sama h , dan konstanta kisi yang berbeda Λ _i (i = 1, 2). Strukturnya simetris translasi dan sel satuan berisi 2 unit G ₁ dan 3 unit G ₂ . Δ menunjukkan posisi relatif lateral G ₁ dan G ₂ dalam sel satuan. Model Drude [35] digunakan untuk menggambarkan fungsi dielektrik perak. Indeks bias silika adalah 1,5, mengabaikan dispersinya. Dielektrik sekitarnya adalah udara dan indeks biasnya adalah 1. Gelombang bidang datang normal p -polarisasi digunakan untuk menyelidiki efek dioda optik.

Diagram skematis struktur dioda optik. a Sel satuan. b Tampilan keseluruhan

Transmisi T struktur dioda optik didefinisikan sebagai berikut:

dimana P _i adalah kekuatan insiden dan P _o adalah daya keluaran. T disimulasikan secara numerik dengan menggunakan metode finite-difference time-domain (FDTD) [36]. Kondisi batas periodik digunakan pada sisi kiri dan kanan, dan batas lapisan pencocokan sempurna diterapkan pada sisi atas dan bawah model simulasi kami. T _D dan T _U mewakili transmisi untuk insiden ke bawah dan insiden ke atas, masing-masing. Properti dioda optik dijelaskan oleh rasio kontras isolasi η :

Oleh karena itu, η = 1 berarti kinerja dioda optik terbaik.

Hasil dan Analisis Teoretis

Rasio kontras transmitansi dan isolasi struktur dioda optik ditunjukkan pada Gambar. 2. T _D berbeda dengan T _U ketika panjang gelombang datang lebih kecil dari λ _C . T _D mencapai nilai maksimum 0,73 dan T _U adalah 3,7 × 10 ⁻³ di λ _D (1315 nm). Sedangkan T _U mencapai nilai maksimum 0,82 dan T _D adalah 3,6 × 10 ⁻⁴ di λ _U (921 nm). Rasio kontras isolasi pada λ _D dan λ _U masing-masing adalah 0,990 dan 0,999. Gambar 2 menunjukkan bahwa efek dioda optik diperoleh di sekitar λ _D dan λ _U , dan kedua pita gelombang memiliki arah transmisi terbalik. Dalam pita gelombang operasi dioda dikroik, strukturnya menunjukkan transmisi yang luar biasa.

Spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi struktur dioda optik dengan d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ ₁ = 900 nm, Λ ₂ = 600 nm, dan Δ = 0 nm

Untuk memahami transmisi dioda optik dikroik, intensitas medan listrik |E | ² pada dua gelombang operasi disimulasikan. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3a, d, medan listrik ditingkatkan antara dua kisi ketika cahaya mentransmisikan melalui struktur dioda optik. Sementara itu, Gambar 3b, c menunjukkan status pemblokiran terbalik. Peningkatan medan elektromagnetik antara dua kisi disebabkan oleh SP pada dua antarmuka perak/silika yang berdekatan. Jenis SP pada dua kisi tersebut berbeda, yaitu diklasifikasikan sebagai SP terstruktur (SSP) dan SP terinduksi (ISP). SSP dieksitasi dan dibangkitkan pada kisi (pemilih) pertama yang diterangi. ISP diinduksi pada kisi (emitor) yang terakhir oleh sambungan antara SPP dan antarmuka perak/silika yang berdekatan. Karena SSP dan ISP, cahaya ditransmisikan melalui struktur dioda optik.

Distribusi intensitas medan listrik |E | ² untuk insiden penurunan di λ _D = 1315 nm (a ), insiden meningkat pada λ _D = 1315 nm (b ), insiden menurun pada λ _U = 921 nm (c ), dan insiden meningkat pada λ _U = 921 nm (d )

Kepadatan muatan permukaan pada antarmuka perak/silika dan E _y komponen distribusi medan listrik diilustrasikan pada Gambar. 4 untuk mengungkapkan fungsi kopling SPs. Pada Gambar 4a, G ₁ dan G ₂ memiliki muatan berlawanan pada permukaan yang berdekatan, yang mirip dengan kapasitor pelat datar. Di bawah kondisi insiden menurun, G ₁ bertindak sebagai pemilih untuk menggairahkan SSP di λ _D . Distribusi kerapatan muatan permukaan periodik menyatakan bahwa SPP ditentukan oleh konstanta kisi G ₁ . G ₂ mendukung ISP yang diinduksi oleh SPP dan berfungsi sebagai emitor untuk transmisi. E _y antara G ₁ dan G ₂ ditingkatkan karena kopling antara SPP dan ISP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Untuk kondisi kejadian ke atas ditunjukkan pada Gambar. 4c, d, G ₂ bertindak sebagai pemilih dan G ₁ bertindak sebagai emitor.

Kerapatan muatan permukaan pada antarmuka perak/silika di G ₁ dan G ₂ , di bawah kondisi insiden menurun di λ _D = 1315 nm (a ) dan insiden ke atas pada λ _U = 921 nm (c ). Ey komponen medan listrik di bawah kondisi insiden ke bawah di λ _D = 1315 nm (b ) dan insiden ke atas pada λ _U = 921 nm (d )

Seperti dapat dilihat dari Gambar 4, medan transmisi periodik dan tidak seragam pada horizontal (x -sumbu) arah. Periode Λ (Λ = 2Λ ₁ = 3Λ ₂ ) dari distribusi yang diajukan transmisi dimodulasi oleh struktur dioda optik integral dan memenuhi 2π/Λ = |g ₁ -g₂ |, di sini g _i adalah vektor kisi dari G_i (i = 1, 2). Efisiensi difraksi kisi meningkat untuk keberadaan SPs. Vektor gelombang lateral κ cahaya yang ditransmisikan berasal dari superposisi g ₁ dan g ₂ :

Dan itu menentukan panjang gelombang kritis λ _C (λ _C = 2π/|κ|) untuk T _D  B _U . Menurut Persamaan. (3), λ _C adalah 1800 nm untuk struktur yang disebutkan di atas, yang sesuai dengan hasil simulasi λ _C = 1806 nm ditunjukkan pada Gambar. 2. Efek dioda optik muncul dalam kisaran λ  λ _C . Berdasarkan hasil simulasi, periode kisi terintegrasi (1800 nm) lebih besar dari panjang gelombang operasi dioda (1315 nm dan 921 nm). Komponen difraksi orde banyak dapat diperoleh dengan hamburan cahaya dari kisi-kisi terintegrasi. Dengan demikian, medan transmisi tidak seragam sepanjang arah yang sejajar dengan kisi-kisi, bahkan ketika cahaya ditransmisikan ke medan jauh.

SSP dari kisi perak mirip dengan SP pada antarmuka perak/silika planar kecuali bahwa SSP adalah mode radiasi [37], sedangkan SP adalah mode yang sepenuhnya terikat pada permukaan. SSP dapat diperlakukan sebagai SP pada antarmuka perak/silika planar kira-kira ketika celah kisi sangat sempit. Jadi, relasi dispersi dari SSP dapat ditulis sebagai [38] berikut:

dimana k ₀ adalah vektor gelombang ruang bebas dan ɛ _m dan ɛ _d adalah koefisien dielektrik perak dan silika, masing-masing. Hubungan dispersi dijelaskan oleh Persamaan. (4) diilustrasikan pada Gambar. 5. Kurva dispersi yang dihitung dengan menggunakan parameter model Drude [35] dalam makalah ini cocok dengan yang dihitung dengan menggunakan kumpulan data konstanta optik Johnson dan Christy [39] ketika energi foton di bawah 2,75 eV (λ> 450 nm). Pada Gambar 5, garis putus-putus vertikal merah dan hitam mewakili |g _1| dan |g ₂ |, masing-masing. SSP senang dengan kisi ketika kondisi pencocokan vektor [40] terpenuhi:

Dispersi SP pada antarmuka planar perak/silika dihitung dengan menggunakan model Drude dan data konstanta optik Johnson dan Christy. Garis putus-putus vertikal merah dan hitam mewakili modulus vektor kisi |g ₁ | dan |g ₂ |, masing-masing

Untuk kejadian normal (θ = 0°), orde pertama (N = 1) difraksi kisi memiliki efisiensi difraksi tertinggi, yaitu efisiensi eksitasi terbesar untuk SSP. Jadi, Persamaan. (5) terpenuhi pada titik merah dan hitam yang ditunjukkan pada Gambar 5:

Dalam struktur dioda optik, G₁ adalah pemilih untuk menggairahkan SSP untuk insiden penurunan dan G ₂ adalah pemilih untuk insiden ke atas. G ₁ dan G ₂ memiliki konstanta kisi yang berbeda, sehingga SSP tereksitasi pada panjang gelombang yang berbeda untuk arah kejadian terbalik. Pada Gambar 5, energi foton di titik merah adalah 0,91 eV dan panjang gelombang 1365 nm, yang sesuai dengan λ _D (1315 nm) yang ditunjukkan pada Gambar 2. Demikian pula, energi foton yang ditunjukkan oleh titik hitam adalah 1,04 eV dan panjang gelombangnya adalah 924 nm, sesuai dengan λ _U (921 nm) pada Gambar. 2. Sebagai pendekatan kisi ke pelat, panjang gelombang resonansi SSP dihitung dengan menggunakan Persamaan. (4) dan Persamaan. (6) tidak sama persis dengan yang disimulasikan dengan menggunakan metode FDTD yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Persamaan (5) menunjukkan bahwa sudut datang θ mempengaruhi kondisi pencocokan vektor gelombang kisi ke SSP. Dengan perubahan θ , rasio kontras transmisi dan isolasi pada λ _D (1315 nm) dan λ _U (921 nm) disimulasikan dan ditunjukkan pada Gambar. 6a, b, masing-masing. Dengan θ meningkat dari 0 ° menjadi 10 °, T _D di λ _D dan T _U di λ _U penurunan untuk ketidakcocokan vektor gelombang antara g _i dan SSP. (T _D di λ _D berkurang menjadi 0 saat θ 40° dan T _U di λ _U berkurang menjadi 0 saat θ 35°.) Dalam rentang sudut datang 0° ≤ θ ≤ 5 °, T _D di λ _U dan T _U di λ _D hampir 0, dan η selalu lebih besar dari 0,98 di kedua λ _U dan λ _D . Gambar 6 menunjukkan bahwa struktur menampilkan efek dioda optik yang baik pada λ _D dan λ _U di bawah insiden sudut kecil.

Pengaruh sudut datang pada rasio kontras transmitansi dan isolasi pada λ _D = 1315 nm (a ) dan λ _U = 921 nm (b )

Investigasi dan Diskusi

Pada bagian ini, kami menyelidiki pengaruh parameter struktur pada spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi.

Ketebalan interlayer d dan grating posisi relatif lateral Δ dibatasi oleh akurasi fabrikasi. Pengaruh d dan Δ pada spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi ditunjukkan pada Gambar. 7 dan 8, masing-masing. Gambar 7 menunjukkan bahwa pita gelombang operasi dioda optik menunjukkan sedikit pergeseran merah saat d meningkat. Sementara itu, nilai maksimum T _D berkurang sangat sedikit, tetapi nilai maksimum T _U berkurang secara signifikan. Peningkatan d akan memperpanjang jarak transmisi cahaya melalui struktur, melemahkan interaksi elektromagnetik antara G ₁ dan G ₂ , dan merusak kerapatan muatan yang diinduksi pada permukaan emitor. Seperti terlihat pada Gambar. 4, muatan yang didistribusikan di sudut celah emitor bertindak sebagai sumber dipol listrik dari medan transmisi. Kerapatan muatan di celah sudut emitor G ₂ (Gbr. 4a) jauh lebih besar daripada di sudut celah emitor G ₁ (Gbr. 4c), jadi d mempengaruhi kurang pada nilai maksimum T _D daripada T _U . Selain itu, dengan peningkatan d , puncak kecil ditandai sebagai FP₁ dan FP₂ muncul di T _U dan puncak transmisi FP₁ menunjukkan pergeseran merah yang besar. Intensitas medan listrik |E | ² distribusi membuktikan bahwa FP₁ dan FP₂ hasil dari resonansi Fabry-Perot.

Pengaruh d pada spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi. d = 220 nm (a ), d = 240 nm (b ), dan d = 260 nm (c ) ketika s = h = 50 nm, Λ ₁ = 900 nm, Λ ₂ = 600 nm, dan Δ = 0 nm. Sisipan adalah distribusi intensitas medan listrik |E | ² untuk resonansi transmisi ke atas

Pengaruh Δ pada spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi. Δ = 50 nm = Λ ₂ /12 (a ), Δ = 100 nm = Λ ₂ /6 (b ), dan Δ = 150 nm = Λ ₂ /4 (c ) ketika d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ ₁ = 900 nm, dan Λ ₂ = 600 nm. Sisipan dalam (b ) adalah E _y distribusi untuk resonansi transmisi ke atas

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, struktur dioda optik bersifat periodik dan memiliki sel satuan yang sama ketika Δ = a ± MΛ ₂ /2 (0 nm < a < Λ ₂ /2 dan S = 0, 1, 2…). Selain itu, sel satuan Δ = a flip kiri-kanan simetris dengan Δ =  a ± MΛ ₂ /2 dan mereka dapat mewujudkan efek transmisi yang sama. Jadi, transmitansi struktur dioda optik dipengaruhi oleh Δ sebagai:T (Δ ) = B (Δ + Λ ₂ /2) = T (− Δ + Λ ₂ /2). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 8, efek dioda optik pada λ ~921 nm menyala dan mati dalam jangka waktu Λ ₂ /2 sebagai Δ meningkat. Namun, puncak transmisi T _D menunjukkan sedikit pergeseran biru dan efek dioda optik pada λ ~1315 nm selalu aktif saat Δ meningkat. Terlihat pada Gambar 8a, puncak transmisi baru di λ _T muncul di T _U kurva dekat λ _U . Ketika Δ meningkat dari Λ ₂ /12 ke Λ ₂ /6, puncak di λ _T menunjukkan pergeseran biru sementara puncaknya di λ _U menunjukkan pergeseran merah (Gbr. 8a, b). E _y distribusi resonansi transmisi di λ _U dan λ _T dimasukkan pada Gambar. 8b. Menurut hasil simulasi, resonansi di λ _T dihasilkan karena pemisahan energi. Ketika Δ meningkat menjadi Λ ₂ /4, ditunjukkan pada Gambar. 8c, T _U ditekan dan dua resonansi transmisi menghilang, yang membuat efek dioda optik mati pada λ ~921 nm.

Menurut analisis teori, pita gelombang operasi dioda optik dapat diperoleh dalam kisaran tertentu dengan mengoptimalkan parameter kisi. Gambar 9 menunjukkan bahwa transmisi dioda optik dikroik dicapai dalam rentang cahaya tampak dengan parameter struktur d = 100 nm, Λ ₁ = 450 nm, Λ ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, dan Δ = 0 nm. Transmitansi maksimum pita gelombang transmisi dichroic diode adalah 80% (pada 522 nm untuk insiden ke atas) dan 71% (pada 732 nm untuk insiden ke bawah), dan rasio kontras isolasi yang sesuai η adalah 0,998 dan 0,993.

Spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi untuk struktur dioda optik dengan d = 100 nm, Λ ₁ = 450 nm, Λ ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, dan Δ = 0 nm

Selanjutnya, komponen sel satuan dalam struktur kita juga mempengaruhi fenomena dioda optik. Menurut Persamaan. (5), pita gelombang efek dioda bergantung pada Λ ₁ dan Λ ₂ . Dalam penelitian kami, kami memilih sel satuan yang terdiri dari 2 unit G ₁ dan 3 unit G ₂ , yaitu, 2Λ ₁ = 3Λ ₂ , untuk mendapatkan transmitansi tinggi dan rasio kontras isolasi yang baik dalam pita gelombang dioda optik secara bersamaan. Misalnya, Gambar 10 menunjukkan transmisi dikroik dari struktur dioda optik dengan sel satuannya yang terdiri dari 3 satuan G ₁ dan 4 unit G ₂ . Efek dioda optik diperoleh pada 530 nm dengan T _U = 72% dan 659 nm dengan T _U = 76%. Rasio kontras isolasi pada dua panjang gelombang dikurangi menjadi 0,912 dan 0,987, karena perbedaan |g ₁ | dan |g ₂ | kecil dan kisi yang bertindak sebagai pemilih dapat membangkitkan SSP dari kedua kisi pada efisiensi yang berbeda. Selain itu, ketika Λ ₁ = 2Λ ₂ , resonansi transmisi SPs dalam struktur dioda optik yang disebabkan oleh difraksi orde pertama G ₂ juga dapat dieksitasi oleh difraksi orde kedua G ₁ untuk 2g ₁ = g ₂ , yang akan mengurangi rasio kontras isolasi. Jadi, properti dioda optik yang baik mensyaratkan bahwa dua konstanta kisi harus memiliki perbedaan yang cukup dan menghindari hubungan kelipatan bilangan bulat.

Spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi untuk struktur dioda optik dengan sel satuan termasuk 3 unit G ₁ dan 4 unit G ₂ . d = 100 nm, Λ ₁ = 400 nm, Λ ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, dan Δ = 0 nm