Diod Optik Dikromatik Tinggi Efisiensi Menggunakan Grating Logam Berganda Terpindah

Abstrak

Struktur diod optik dengan dua grating logam paralel yang terpindah diusulkan dan diselidiki secara numerik. Transmisi diod optik dikromatik direalisasikan dalam struktur ini, yaitu efek diod optik diamati di dua gelombang yang sesuai dengan arah transmisi terbalik. Dalam struktur, dua grating logam paralel dengan konstanta grating yang berbeda dipisahkan oleh lapisan dielektrik di antaranya. Grating yang pertama kali diiringi bertindak sebagai pemilih untuk menggiurkan plasmon permukaan pada panjang gelombang yang tepat. Grating yang lain bertindak sebagai pemancar untuk mewujudkan transmisi optik. Ketika arah insiden dibalik, peran kedua grating bertukar dan plasmon permukaan diigunakan pada panjang gelombang lain. Dalam gelombang transmisi dikromatik, struktur diod optik menunjukkan transmisi luar biasa dan memiliki isolasi optik tinggi hingga 1. Selain itu, gelombang operasi dapat ditingkatkan dengan mengubah parameter struktur.

Pendahuluan

Diod optik, yang mentransmisikan foton ke satu arah dan melarang transmisi dalam arah terbalik, telah menarik perhatian yang besar berkat properti transmisi satu arahnya [1]. Fenomena diod optik dapat diamati ketika simetri waktu terbalik interaksi cahaya-materi terpecah. Medan magnetik eksternal [2], tegangan bias [3], gelombang akustik [4], atau modulasi bergantung waktu [5, 6] dapat diterapkan untuk mencapai efek diod optik. Selain itu, struktur antarmuka inversi simetria yang terpecah adalah pilihan alternatif, seperti struktur berlapis asimetris [7], kristal fotonik asimetris [8], dan grating asimetris [9]. Dalam beberapa dekade terakhir, struktur mikro-nano logam mendapat perhatian besar karena properti yang menjanjikan plasmon permukaan (SP). Perangkat plasmonik diusulkan dalam banyak bidang penelitian seperti holografi metasurface [10,11,12,13,14], sensor indeks bias [15, 16], dan filter [17, 18]. Perangkat plasmonik dapat sangat memodifikasi interaksi medan elektromagnetik pada skala nano [19]. Modulasi SP dapat direalisasikan dengan mengubah lingkungan dielektrik sekitar dan parameter geometris struktur logam [20, 21]. Diod optik yang terdiri dari struktur logam skala nano, misalnya, grating yang dilapisi lapisan plasmonik [22, 23], grating plasmonik bertingkat [24, 25], nanolubang plasmonik [26], saluran waveguide slot plasmonik [27], dan agregat nanopartikel plasmonik [28], secara luas diselidiki untuk tujuan pemrosesan informasi optik.

Dalam makalah ini, transmisi diod optik dikromatik diperoleh di dua grating logam paralel yang terpindah yang menyandang lapisan dielektrik. Kedua peningkatan transmisi dan kontras isolasi tinggi dicapai dalam dua gelombang operasi dengan arah transmisi terbalik, karena grating logam yang terdiri dari celah sempit menunjukkan transmisi cahaya luar biasa [29, 30] dan struktur asimetris mewujudkan transmisi satu arah [27,28,29,30,31]. Menurut urutan diiringi, dua grating logam dengan konstanta grating yang berbeda bertindak sebagai pemilih dan pemancar masing-masing. Pemilih memilih panjang gelombang resonansi dengan menggiurkan SP dan, dengan kontribusi SP, pemancar mewujudkan transmisi cahaya. Ketika arah insiden dibalik, peran kedua grating bertukar dan SP diigunakan pada panjang gelombang lain. Oleh karena itu, transmisi diod optik dikromatik diperoleh. Ketebalan struktur diod optik yang diusulkan dalam makalah ini sempit hingga 160 nm. Dengan perkembangan teknologi pembuatan nano, banyak metode dapat diterapkan pada pembuatan struktur grating logam, seperti litografi nanoimprint ultraviolet [32], litografi penulisan laser langsung [33], dan litografi sinar elektron [34]. Karakter diod optik tidak bergantung pada intensitas insiden. Properti ini menyiratkan bahwa struktur kami memiliki potensi luas dalam integrasi optik.

Metode

Skema struktur diod optik ditampilkan dalam Gambar 1. Struktur terdiri dari dua grating perak G₁ dan G₂ yang menyandang lapisan silica. Ketebalan lapisan silica ditetapkan sebagai d. G₁ dan G₂ memiliki lebar celah s yang sama, ketebalan h yang sama, dan konstanta grating Λ_i (i = 1, 2) yang berbeda. Struktur simetri translasi dan sel satuan berisi 2 unit G₁ dan 3 unit G₂. Δ menunjukkan posisi lateral relatif dari G₁ dan G₂ dalam sel satuan. Model Drude [35] digunakan untuk menggambarkan fungsi dielektrik perak. Indeks bias silica adalah 1,5, mengabaikan dispersinya. Dielektrik sekitar adalah udara dan indeks biasnya adalah 1. Gelombang datar insiden normal dengan polarisasi p digunakan untuk menyelidiki efek diod optik.

Diagram skematik struktur diod optik. a Sel satuan. b Tampilan keseluruhan

Transmitansi T dari struktur diod optik didefinisikan sebagai berikut:

di mana P_i adalah daya insiden dan P_o adalah daya keluaran. T disimulasikan secara numerik dengan menggunakan metode domain waktu selisih hingga (FDTD) [36]. Kondisi batas periodik diterapkan ke sisi kiri dan kanan, dan batas lapisan cocok sempurna diterapkan ke sisi atas dan bawah model simulasi kami. T_D dan T_U mewakili transmitansi untuk insiden ke bawah dan ke atas, masing-masing. Karakteristik diod optik dijelaskan oleh rasio kontras isolasi η:

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

Hasil dan Analisis Teori

Transmitansi dan rasio kontras isolasi struktur diod optik ditampilkan dalam Gambar 2. T_D berbeda dari T_U ketika panjang gelombang insiden lebih kecil dari λ_C. T_D mencapai nilai maksimum 0,73 dan T_U adalah 3,7 × 10⁻³ pada λ_D (1315 nm). Sedangkan T_U mencapai nilai maksimum 0,82 dan T_D adalah 3,6 × 10⁻⁴ pada 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 diod optik diperoleh di sekitar λ_D dan λ_U, dan kedua gelombang tersebut memiliki arah transmisi terbalik. Dalam gelombang operasi diod dikromatik, struktur menunjukkan transmisi luar biasa.

Spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi struktur diod optik dengan d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, Λ₂ = 600 nm, dan Δ = 0 nm

Untuk memahami transmisi diod optik dikromatik, intensitas medan listrik |E|² pada dua gelombang operasi disimulasikan. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3a, d, medan listrik ditingkatkan di antara dua grating ketika cahaya mentransmisikan melalui struktur diod optik. Sementara itu, Gambar 3b, c menunjukkan status pemblokiran terbalik. Peningkatan medan elektromagnetik di antara dua grating disebabkan oleh SP pada dua antarmuka perak/silica yang berdekatan. Jenis SP pada dua grating berbeda, yang diklasifikasikan sebagai SP terstruktur (SSP) dan SP yang diinduksi (ISP) masing-masing. SSP diigunakan dan dihasilkan di grating yang pertama kali diiringi (pemilih). ISP diinduksi di grating yang kedua (pemancar) melalui kopling antara SPP dan antarmuka perak/silica yang berdekatan. Akibat SSP dan ISP, cahaya mentransmisikan melalui struktur diod optik.

Distribusi intensitas medan listrik |E|² untuk insiden ke bawah pada λ_D = 1315 nm (a), insiden ke atas pada λ_D = 1315 nm (b), insiden ke bawah pada λ_U = 921 nm (c), dan insiden ke atas pada λ_U = 921 nm (d)

Kepadatan muatan permukaan pada antarmuka perak/silica dan komponen E_y dari distribusi medan listrik diilustrasikan dalam Gambar 4 untuk mengungkapkan fungsi kopling SP. Dalam Gambar 4a, G₁ dan G₂ memiliki muatan yang berlawanan pada permukaan yang berdekatan, yang mirip dengan kondensator piring datar. Dalam kondisi insiden ke bawah, G₁ bertindak sebagai pemilih untuk mengigunakan SSP pada λ_D. Distribusi periodik kepadatan muatan permukaan mewakili bahwa SPP ditentukan oleh konstanta grating dari G₁. G₂ mendukung ISP yang diinduksi oleh SPP dan berfungsi sebagai pemancar untuk transmisi. E_y di antara G₁ dan G₂ ditingkatkan akibat kopling antara SPP dan ISP, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4b. Untuk kondisi insiden ke atas yang ditunjukkan dalam Gambar 4c, d, G₂ bertindak sebagai pemilih dan G₁ bertindak sebagai pemancar.

Kepadatan muatan permukaan pada antarmuka perak/silica pada G₁ dan G₂, dalam kondisi insiden ke bawah pada λ_D = 1315 nm (a) dan insiden ke atas pada λ_U = 921 nm (c). Komponen Ey dari medan listrik dalam kondisi insiden ke bawah pada λ_D = 1315 nm (b) dan insiden ke atas pada λ_U = 921 nm (d)

Seperti yang dapat dilihat dari Gambar 4, medan transmisi periodik dan tidak seragam dalam arah horizontal (sumbu x). Periode Λ (Λ = 2Λ₁ = 3Λ₂) dari distribusi medan transmisi diinduksi oleh struktur diod optik terintegrasi dan memenuhi 2π/Λ = |g₁-g₂|, di mana g_i adalah vektor grating dari G_i (i = 1, 2). Efisiensi difraksi grating meningkat karena keberadaan SP. Vektor gelombang lateral κ dari cahaya yang ditransmisikan berasal dari superposisi g₁ dan g₂:

Dan ini menentukan panjang gelombang kritis λ_C (λ_C = 2π/|κ|) untuk T_D ≠ T_U. Menurut Eq. (3), λ_C adalah 1800 nm untuk struktur kami yang disebut di atas, yang sesuai baik dengan hasil simulasi λ_C = 1806 nm yang ditunjukkan dalam Gambar 2. Efek diod optik muncul dalam rentang λ ≤ λ_C. Menurut hasil simulasi, periode grating terintegrasi (1800 nm) lebih besar dari panjang gelombang operasi diod (1315 nm dan 921 nm). Komponen difraksi multi-ordo dapat diperoleh dengan penyerakan cahaya dari grating terintegrasi. Dengan demikian, medan transmisi tidak seragam sepanjang arah sejajar dengan grating, bahkan ketika cahaya telah ditransmisikan ke bidang jauh.

SSP dari grating perak mirip dengan SP pada antarmuka perak/silica datar, kecuali SSP adalah mode radiasi [37], sementara SP adalah mode yang terikat sepenuhi pada permukaan. SSP dapat diperlakukan sebagai SP pada antarmuka perak/silica datar secara aproksimasi ketika celah grating sangat sempit. Dengan demikian, hubungan dispersi SSP dapat dituliskan sebagai [38] berikut:

di mana k₀ adalah vektor gelombang ruang bebas dan ɛ_m dan ɛ_d adalah koefisien dielektrik perak dan silica, masing-masing. Hubungan dispersi yang dijelaskan oleh Eq. (4) diilustrasikan dalam Gambar 5. Kurva dispersi yang dihitung menggunakan parameter model Drude [35] dalam makalah ini cocok baik dengan yang dihitung menggunakan data konstanta optik Johnson dan Christy [39] ketika energi foton di bawah 2,75 eV (λ > 450 nm). Dalam Gambar 5, garis lusin vertikal merah dan hitam mewakili |g_1| dan |g₂|, masing-masing. SSP diigunakan oleh grating ketika kondisi pencocokan vektor [40] terpenuhi:

Dispersi SP pada antarmuka perak/silica datar yang dihitung menggunakan model Drude dan data konstanta optik Johnson dan Christy. Garis lusin vertikal merah dan hitam mewakili modulus vektor grating |g₁| dan |g₂|, masing-masing

Untuk insiden normal (θ = 0°), difraksi orde pertama (N = 1) dari grating memiliki efisiensi difraksi tertinggi, yaitu efisiensi pengiguan tertinggi untuk SSP. Dengan demikian, Eq. (5) terpenuhi pada titik merah dan hitam yang ditunjukkan dalam Gambar 5:

Dalam struktur diod optik, G₁ adalah pemilih untuk mengigunakan SSP untuk insiden ke bawah dan G₂ adalah pemilih untuk insiden ke atas. G₁ dan G₂ memiliki konstanta grating yang berbeda, sehingga SSP diigunakan pada panjang gelombang yang berbeda untuk arah insiden terbalik. Dalam Gambar 5, energi foton pada titik merah adalah 0,91 eV dan panjang gelombangnya 1365 nm, yang sesuai dengan λ_D (1315 nm) yang ditunjukkan dalam Gambar 2. Demikian pula, energi foton yang ditunjukkan oleh titik hitam adalah 1,04 eV dan panjang gelombangnya 924 nm, sesuai dengan λ_U (921 nm) dalam Gambar 2. Sebagai aproksimasi grating ke piring, panjang gelombang resonansi SSP yang dihitung menggunakan Eq. (4) dan Eq. (6) tidak tepat sama dengan yang disimulasikan menggunakan metode FDTD yang ditunjukkan dalam Gambar 2.

Persamaan (5) menunjukkan bahwa sudut insiden θ mempengaruhi kondisi pencocokan vektor gelombang grating ke SSP. Dengan perubahan θ, transmitansi dan rasio kontras isolasi pada λ_D (1315 nm) dan λ_U (921 nm) disimulasikan dan ditampilkan dalam Gambar 6a, b, masing-masing. Dengan θ meningkat dari 0° hingga 10°, T_D pada λ_D dan T_U pada λ_U menurun karena ketidakcocokan vektor gelombang antara g_i dan SSP. (T_D pada λ_D menurun menjadi 0 ketika θ ≈ 40° dan T_U pada λ_U menurun menjadi 0 ketika θ ≈ 35°.) Dalam rentang sudut insiden 0° ≤ θ ≤ 5°, T_D pada λ_U dan T_U pada λ_D hampir 0, dan η selalu lebih besar dari 0,98 baik pada λ_U maupun λ_D. Gambar 6 menunjukkan bahwa struktur menampilkan efek diod optik yang baik pada λ_D dan λ_U di bawah insiden sudut kecil.

Pengaruh sudut insiden pada transmitansi dan rasio kontras isolasi pada λ_D = 1315 nm (a) dan λ_U = 921 nm (b)

Penyelidikan dan Pembahasan

Dalam bagian ini, kami menyelidiki pengaruh parameter struktur terhadap spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi.

Ketebalan antara lapisan d dan posisi lateral relatif grating Δ dibatasi oleh akurasi pembuatan. Pengaruh d dan Δ terhadap spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi ditampilkan dalam Gambar 7 dan 8, masing-masing. Gambar 7 menunjukkan bahwa gelombang operasi diod optik mengalami geser merah ringan ketika d meningkat. Sementara itu, nilai maksimum T_D menurun sangat sedikit, tetapi nilai maksimum T_U menurun secara signifikan. Peningkatan d akan memperpanjang jarak transmisi cahaya melalui struktur, melemahkan interaksi elektromagnetik antara G₁ dan G₂, dan mengurangi kepadatan muatan yang diinduksi pada permukaan pemancar. Seperti yang terlihat dalam Gambar 4, muatan yang tersebar di sudut celah pemancar bertindak sebagai sumber listrik dari medan transmisi. Kepadatan muatan di sudut celah pemancar G₂ (Gambar 4a) jauh lebih besar dari pada di sudut celah pemancar G₁ (Gambar 4c), sehingga d mempengaruhi nilai maksimum T_D lebih sedikit daripada pada T_U. Selain itu, dengan peningkatan d, puncak kecil yang ditandai FP₁ dan FP₂ muncul dalam T_U dan puncak transmisi FP₁ menunjukkan geser merah yang besar. Distribusi intensitas medan listrik |E|² membuktikan bahwa FP₁ dan FP₂ berasal dari resonansi Fabry-Perot.

Pengaruh d terhadap spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi. d = 220 nm (a), d = 240 nm (b), dan d = 260 nm (c) ketika s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, Λ₂ = 600 nm, dan Δ = 0 nm. Inset adalah distribusi intensitas medan listrik |E|² untuk resonansi transmisi ke atas

Pengaruh Δ terhadap spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi. Δ = 50 nm = Λ₂/12 (a), Δ = 100 nm = Λ₂/6 (b), dan Δ = 150 nm = Λ₂/4 (c) ketika d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, dan Λ₂ = 600 nm. Inset dalam (b) adalah distribusi E_y untuk resonansi transmisi ke atas

Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1, struktur diod optik adalah periodik dan memiliki sel satuan yang sama ketika Δ = a ± MΛ₂/2 (0 nm a < Λ₂/2 dan M = 0, 1, 2…). Selain itu, sel satuan Δ = a simetri balik kiri-kanan dengan Δ = − a ± MΛ₂/2 dan mereka dapat mewujudkan efek transmisi yang sama. Jadi, transmitansi struktur diod optik dipengaruhi oleh Δ sebagai: T(Δ) = T(Δ + Λ₂/2) = T(− Δ + Λ₂/2). Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8, efek diod optik pada λ~921 nm menyala dan mati dalam periode Λ₂/2 saat Δ meningkat. Namun, puncak transmisi T_D menunjukkan geser biru ringan dan efek diod optik pada λ~1315 selalu menyala saat Δ meningkat. Terlihat dalam Gambar 8a, puncak transmisi baru pada λ_N muncul dalam kurva T_U di dekat λ_U. Saat Δ meningkat dari Λ₂/12 ke Λ₂/6, puncak pada λ_N menunjukkan geser biru sementara puncak pada λ_U menunjukkan geser merah (Gambar 8a, b). Distribusi E_y untuk resonansi transmisi pada λ_U dan λ_N disisipkan dalam Gambar 8b. Menurut hasil simulasi, resonansi pada λ_N timbul karena pemisahan energi. Saat Δ meningkat ke Λ₂/4, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8c, T_U ditekan dan dua resonansi transmisi menghilang, yang membuat efek diod optik mati pada λ~921 nm.

Menurut analisis teori, gelombang operasi diod optik dapat diperoleh dalam rentang tertentu dengan mengoptimalkan parameter grating. Gambar 9 menunjukkan bahwa transmisi diod optik dikromatik dicapai dalam rentang cahaya terlihat dengan parameter struktur d = 100 nm, Λ₁ = 450 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, dan Δ = 0 nm. Transmitansi maksimum dari gelombang transmisi diod dikromatik adalah 80% (pada 522 nm untuk insiden ke atas) dan 71% (pada 732 nm untuk insiden ke bawah), dan rasio kontras isolasi η yang sesuai adalah 0,998 dan 0,993.

Spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi untuk struktur diod optik dengan d = 100 nm, Λ₁ = 450 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, dan Δ = 0 nm

Selanjutnya, komponen sel satuan dalam struktur kami juga mempengaruhi fenomena diod optik. Menurut Eq. (5), gelombang efek diod bergantung pada Λ₁ dan Λ₂. Dalam penelitian kami, kami memilih sel satuan yang terdiri dari 2 unit G₁ dan 3 unit G₂, yaitu 2Λ₁ = 3Λ₂, untuk mendapatkan transmitansi tinggi dan rasio kontras isolasi yang baik dalam gelombang diod optik secara bersamaan. Misalnya, Gambar 10 menunjukkan transmisi dikromatik dari struktur diod optik dengan sel satuan yang terdiri dari 3 unit G₁ dan 4 unit G₂. Efek diod optik diperoleh pada 530 nm dengan T_U = 72% dan 659 nm dengan T_U = 76%. Rasio kontras isolasi pada dua panjang gelombang menurun menjadi 0,912 dan 0,987, karena perbedaan |g₁| dan |g₂| kecil dan grating yang bertindak sebagai pemilih dapat mengigunakan SSP dari kedua grating pada efisiensi yang berbeda. Selain itu, ketika Λ₁ = 2Λ₂, resonansi transmisi SP dalam struktur diod optik yang disebabkan oleh difraksi orde pertama dari G₂ juga dapat diigunakan oleh difraksi orde kedua dari G₁ untuk 2g₁ = g₂, yang akan mengurangi rasio kontras isolasi. Jadi, properti diod optik yang baik memerlukan dua konstanta grating harus memiliki perbedaan yang cukup dan menghindari hubungan kelipatan bulat.

Spektrum transmisi dan rasio kontras isolasi untuk struktur diod optik dengan sel satuan termasuk 3 unit G₁ dan 4 unit G₂. d = 100 nm, Λ₁ = 400 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, dan Δ = 0 nm

Kesimpulan

Transmisi diod optik dikromatik berdasarkan SP direalisasikan dalam struktur kami, yang terdiri dari dua grating perak paralel yang terpindah dan lapisan silica di antaranya. Grating logam yang pertama kali diiringi memilih gelombang transmisi dengan mengigunakan SSP, dan grating logam yang lain memancarkan energi elektromagnetik ke maju melalui osilasi elektron permukaan. Ketika arah insiden cahaya dibalik, peran kedua grating bertukar dan gelombang transmisi diod optik lain muncul. Rasio isolasi optik hampir dapat mencapai 1. Gelombang operasi diod optik dapat disesuaikan ke berbagai wilayah dengan mengubah parameter struktur. Gelombang operasi dan transmitansi diod optik tidak bergantung pada intensitas insiden. Ketebalan struktur hanya beberapa ratus nanometer. Properti struktur kami ini menyediakan berbagai aplikasi dalam rangkaian terintegrasi.

Singkatan

ISPs:

Plasmon permukaan yang diinduksi.

SPs:

Plasmon permukaan

SSPs:

Plasmon permukaan terstruktur