Transparansi Akibat Plasmon dalam Struktur Dasi Kupu-Kupu Asimetris

Hasil dan Diskusi

Tidak seperti resonator persegi panjang normal, resonator segitiga di dasi kupu-kupu ditentukan tidak hanya oleh panjang sisi, tetapi juga sudut. Jadi, pertama-tama kami menyelidiki dampak sudut yang terhubung ke pandu gelombang bus pada sifat transmisi dan resonansi dari struktur yang diusulkan dengan resonator segitiga tunggal. Spektrum transmisi resonator segitiga tunggal ditunjukkan pada Gambar 2. Semua ketinggian resonator ditetapkan pada 0,8 μm. Sudut atas resonator segitiga terhubung ke pandu gelombang bus yang memungkinkan sisi energi elektromagnetik digabungkan dari pandu gelombang bus ke resonator segitiga. Jadi, lembah transmisi yang dalam muncul pada spektrum pada Gambar 2. Kuantitas, lebar pita, dan panjang gelombang lembah tersebut ditentukan oleh parameter struktural resonator. Untuk sudut 20°, ada dua lembah transmisi yang dalam pada spektrum. Lembah resonansi pada panjang gelombang yang lebih panjang berturut-turut adalah orde 0 dan orde 0 dalam arah longitudinal dan horizontal. Dengan penurunan panjang gelombang, ketinggian resonator memungkinkan satu lagi simpul gelombang berdiri, yaitu orde 1 dalam arah longitudinal. Situasi untuk sudut 40° mirip dengan 20°. Saat sudut meningkat, satu lagi lembah resonansi muncul dalam spektrum. Sudut yang lebih besar membuat distribusi modal terbagi dalam arah horizontal membentuk mode orde tinggi orde 1 dalam arah horizontal. Untuk sudut yang lebih besar dari 80°, mode L:orde 0 membagi dalam arah horizontal membentuk L:1; H:Modus pertama. Dengan demikian, peningkatan sudut menghasilkan pergeseran panjang gelombang dan pemisahan distribusi modal dalam arah horizontal membentuk mode orde tinggi. Pergeseran panjang gelombang tidak memiliki hubungan langsung dengan sudut, karena variasi sudut juga mengubah panjang sisi. Jadi, untuk mempertahankan sifat resonansi yang stabil, sudut kecil lebih disukai.

Spektrum transmisi resonator segitiga tunggal untuk sudut 20° (a ), 40° (b ), 60° (c ), dan 80° (d ). Sisipan adalah medan magnet H _z sesuai dengan panjang gelombang resonansi

Ketinggian resonator adalah parameter kunci untuk properti resonansi. Spektrum transmisi perangkat dengan resonator segitiga tunggal untuk ketinggian resonator yang bervariasi dari 0,8 hingga 1,1 μm ditunjukkan pada Gambar 3a. Sudut rongga 40° dipilih selama simulasi. Dalam rentang panjang gelombang dari 1,2 hingga 1,8 μm, masing-masing spektrum memiliki kemiringan tunggal, yang berarti lembah resonansi. Semua transmisivitas lembah sekitar 0,1. Sebagai distribusi elektromagnetik H _z pada panjang gelombang resonansi dan non-resonansi ditunjukkan pada sisipan Gambar 3a, sebagian besar energi elektromagnetik berpasangan ke dalam resonator segitiga pada panjang gelombang resonansi, sementara sebagian besar panjang gelombang lain dari cahaya pita lebar yang disuntikkan ditransmisikan melalui pemandu gelombang bus. Dengan ketinggian tambahan, panjang gelombang lembah menunjukkan perilaku pergeseran merah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, panjang gelombang yang bergeser sebanding dengan ketinggian dengan linearitas yang sangat baik. Pergeseran panjang gelombang resonansi dapat dijelaskan melalui kondisi gelombang berdiri Nλ _T = 2n _g L , T = (1, 2, 3…). Untuk N specific tertentu , semakin besar ketinggian resonator segitiga menyebabkan pergeseran merah panjang gelombang resonansi, sedangkan ketinggian yang lebih pendek menyebabkan pergeseran biru panjang gelombang resonansi. Untuk sudut yang berbeda, hubungan antara panjang gelombang resonansi dan tinggi tetap serupa, yang membuat fabrikasi dapat dilakukan tanpa persyaratan yang ketat.

Sifat transmisi resonator segitiga tunggal. a Spektrum transmisi resonator segitiga tunggal untuk ketinggian yang bervariasi. b Ketergantungan panjang gelombang resonansi pada ketinggian untuk sudut 40°, 60°, dan 80°. Sisipan adalah medan magnet H _z sesuai dengan panjang gelombang resonansi dan non-resonansi

Untuk mewujudkan transmisi PIT, diperlukan kopling yang kuat antara resonator ganda dengan panjang rongga yang sedikit diturunkan. Struktur dasi kupu-kupu asimetris yang diusulkan terdiri dari resonator segitiga dengan ketinggian yang sedikit diturunkan memungkinkan sambungan yang kuat antara resonator. Dengan menyetel ketinggian resonator segitiga ganda, puncak transmisi transparan akan muncul di pita terlarang resonator tunggal. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, sudut 20° dipilih untuk mempertahankan hanya satu lembah dalam rentang panjang gelombang dan ketinggian dipilih secara halus untuk membuat pita transmisi PIT terletak sekitar 1,55 μm untuk aplikasi dalam komunikasi optik. Spektrum transmisi resonator tunggal dengan ketinggian 0,93 μm digambarkan sebagai garis merah putus-putus. Lembahnya terletak di 1,47 μm. Untuk memperkenalkan perbedaan struktural bersama dengan perbedaan lembah, resonator tunggal dengan ketinggian 1,02 μm digunakan untuk memasangkan resonator sebelumnya. Spektrum digambarkan sebagai garis putus-putus biru dan lembahnya terletak di 1,61 μm. Kemudian, energi elektromagnetik di dalam pasangan resonator berpasangan kuat, membentuk spektrum transmisi dengan dua lembah dalam dan satu puncak transparan, yang digambarkan sebagai garis hitam pekat. Puncak transparan terletak di tengah antara dua lembah yang dalam, yang merupakan pita terlarang untuk resonator tunggal. Seperti yang ditunjukkan inset, di lembah pertama, energi elektromagnetik utama berpasangan ke resonator di bawah pandu gelombang bus daripada resonator atas. Di lembah kedua, pasangan energi elektromagnetik utama ke resonator atas sebagai gantinya. Ini sangat mirip dengan resonator tunggal. Pada puncak transparan, sekitar 75% energi elektromagnetik ditransmisikan melalui pandu gelombang bus, dan hanya sebagian kecil energi yang berpasangan ke dalam resonator dasi kupu-kupu asimetris, membentuk pita transparan untuk energi elektromagnetik yang merambat. Perlu dicatat bahwa PIT juga dapat diperoleh dalam struktur dasi kupu-kupu asimetris dengan sudut yang berbeda. Namun, panjang gelombang lembah bersama dengan panjang gelombang puncak tidak bervariasi secara monoton dengan sudut, menyebabkan kontrol yang sangat sulit dari puncak transparan. Selain itu, seperti disebutkan dalam bagian di atas, resonator dengan sudut yang lebih besar menimbulkan resonansi multi-mode, yang merugikan kontrol efek PIT. Jadi, hanya PIT yang diinduksi perbedaan ketinggian yang diuraikan dalam makalah ini. Efek PIT dalam struktur dasi kupu-kupu asimetris yang diusulkan sensitif terhadap ketinggian. Untuk menjaga puncak transparan pada panjang gelombang komunikasi optik, beberapa set nilai ketinggian dengan perbedaan ketinggian dari 30 hingga 190 nm dipilih untuk menyelidiki dampak perbedaan ketinggian pada efek PIT. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, dengan memilih set nilai ketinggian resonator secara halus, puncak transparan dapat dipertahankan pada 1,55 μm. Rasio maksimum transparan puncak ke lembah penyerapan bisa lebih dari 10 dB. Lebar dan transmisi keduanya memiliki hubungan positif dengan perbedaan tinggi. Pada Gbr. 4c, lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dari pita transparan sebanding dengan perbedaan ketinggian dengan perilaku yang mendekati linier, yang konsisten dengan perilaku pada Gbr. 3b. Karena adanya disipasi logam, transmisi efek PIT yang benar-benar transparan menjadi tidak praktis. Transmisi puncak pertama-tama meningkat cepat dengan meningkatnya perbedaan ketinggian dan kemudian cenderung stabil di atas 0,8.

Transmisi PIT dari struktur dasi kupu-kupu asimetris. a Spektrum Transmisi PIT. b Spektrum transmisi PIT untuk perbedaan ketinggian yang bervariasi. c FWHM dan transmitivitas puncak sebagai fungsi perbedaan ketinggian

Sebagaimana diuraikan pada bagian di atas, lembah dan puncak transparan ditentukan oleh parameter struktural dan material medium di dalam resonator dan pandu gelombang bus. Jadi, penginderaan berbasis PIT dalam struktur bowtie asimetris yang diusulkan adalah layak. Sebelumnya, pandu gelombang dan resonator bus diisi dengan udara, yang berarti kosong dan dapat digunakan sebagai wadah cairan. Dalam simulasi, pandu gelombang bus dan resonator diisi oleh cairan. Indeks biasnya bervariasi dari 1,30 hingga 1,40, mencakup beragam cairan umum air, aseton, metil alkohol, etil alkohol, propil alkohol, larutan glukosa, dll. [26]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a, puncak transparan berperilaku pergeseran merah dengan meningkatnya indeks bias cairan. Setiap puncak dapat dibedakan dengan jelas dan puncak transmisi hampir tetap stabil. Pada Gambar 5b, fungsi panjang gelombang puncak sebagai indeks bias untuk perbedaan ketinggian 50 nm, 70 nm, 90 nm, 120 nm, dan 150 nm berbanding lurus. Pergeseran panjang gelombang memiliki linearitas yang sangat baik. Sensitivitas yang dihitung untuk perbedaan ketinggian semuanya kira-kira sama dengan 1140 nm/RIU, dan resolusi penginderaan yang sesuai adalah 8,8 × 10 ⁻⁵ RIU. Jadi, sensor berbasis PIT bowtie asimetris memiliki sensitivitas yang sangat tinggi dan kekebalan yang sangat baik terhadap penyimpangan fabrikasi.

Sifat penginderaan berbasis PIT. a Spektrum transmisi perbedaan ketinggian 90-nm untuk indeks bias bervariasi dari 80 hingga 120 nm. b Ketergantungan panjang gelombang puncak pada indeks bias untuk perbedaan ketinggian yang berbeda