Transparansi Induksi Plasmon melalui Resonator Bowtie Asimetrik untuk Komunikasi Optik On-Chip

Latar Belakang

Efek transparansi induksi elektromagnetik (EIT), yang berasal dari interferensi kuantum destruktif antara dua jalur dalam sistem atom tiga level [1, 2], menunjukkan potensi aplikasi yang luar besar dalam propagasi cahaya lambat [3, 4], optika nonlinier [5], dan penyimpanan optik [6]. Dalam sistem EIT, efek interferensi kuantum mengurangi serapan cahaya pada daerah spektral sempit, menghasilkan resonansi tajam dengan transmisi hampir sempurna di dalam profil serapan yang luas [7]. Namun, efek EIT sangat sensitif terhadap pembesaran karena gerakan atom. Realisasi efek EIT membutuhkan laser gas yang stabil dan lingkungan yang ketat, yang menghambat aplikasinya praktis. Akhirnya, berbagai konfigurasi telah diusulkan untuk meniru transmisi EIT tanpa kebutuhan kondisi eksperimental yang ketat, termasuk mikroresonator terpasang [8,9,10,11,12], cincin terpisah, dan metamaterial [13,14,15,16] yang terdiri dari materi dielektrik dan logam. Di antaranya, EIT berbasis metamaterial dengan pola unit periodik membutuhkan sinyal cahaya yang menimpa datang dalam arah yang tidak sejajar dengan permukaan chip. Dengan sinyal cahaya yang menimpa datang dalam arah sejajar dengan permukaan chip, mikroresonator terpasang sangat memenuhi persyaratan aplikasi integrasi on-chip dari transmisi EIT. Untuk mengurangi lebih lanjut jejak perangkat EIT, transparansi induksi plasmon (PIT) telah diusulkan sebagai analog EIT klasik dengan konfinersi optik yang kuat di luar batas difraksi untuk gelombang elektromagnetik [17,18,19]. Plasmon permukaan adalah osilasi optik dari elektron bebas pada antarmuka logam/dielektrik yang menunjukkan konfinersi optik yang kuat dan komponen fotonik miniatur [20, 21]. Akhirnya, gelombang terpandu logam/insulator/logam (MIM) plasmonik dengan konfinersi optik yang sangat tinggi dan jarak yang dekat dengan gelombang terpandu bersebelahan adalah gelombang terpandu skala nano yang sangat menjanjikan yang mampu mengatasi batas difraksi dan memiliki aplikasi yang beragam dalam sensor plasmonik [22], coupler [23], dan filter [24]. Dengan demikian, transmisi PIT berbasis MIM memiliki potensi besar dalam aplikasi on-chip komunikasi optik, pemrosesan informasi optik, dan optika nonlinier.

Di sini, kami mengusulkan struktur resonator yang tidak sejenis untuk mendapatkan transmisi PIT dalam gelombang terpandu MIM. Perangkat dengan struktur datar terdiri dari dua resonator segitiga yang tidak sejenis dan satu gelombang terpandu bus, membentuk struktur busur asimetrik untuk mengaktifkan efek PIT. Karena respons yang sensitif dan linier terhadap panjang gelombang puncak transparansi terhadap parameter struktural dan medium di dalam gelombang terpandu, perangkat yang diusulkan memungkinkan penginderaan indeks refraksi berbasis PIT. Dengan struktur yang kompak dan mudah dibuat, perangkat ini dapat memiliki arti yang besar dalam integrasi fotonik on-chip.

Metode

Skematik struktur busur asimetrik digambarkan pada Gambar 1, di mana materi latar dalam biru adalah perak, whose permitivitas dijelaskan oleh model Drude \( {\varepsilon}_r={\varepsilon}_{\infty }-{\omega}_p^2/\left({\omega}^2+ j\gamma \omega \right) \), dengan ε_∞=3.7, ω_p=9.1 eV dan γ=0.018 eV. Parameter yang diadopsi dalam persamaan di atas cocok dengan data eksperimental pada frekuensi komunikasi optik [25]. Semua gelombang terpandu MIM diisi oleh udara. Strip panjang di tengah struktur adalah gelombang terpandu bus untuk transmisi cahaya. Di kedua sisi bus, gelombang terpandu adalah resonator busur. Resonator busur tidak simetris dengan parameter struktural yang tidak sejenis seperti ketinggian dan sudut yang dinotasikan oleh H_u, H_d, θ₁, dan θ₂. Vortex segitiga dalam busur berada di tengah gelombang terpandu bus. Dengan demikian, resonator busur memiliki koneksi kecil ke gelombang terpandu bus yang memungkinkan kopling efisien di antara mereka. Lebar gelombang terpandu bus tetap 100 nm dan panjang gelombang terpandu bus tidak berpengaruh terhadap spektrum transmisi PIT kecuali untuk kerugian transmisi. Jadi, panjangnya tetap 1 μm mempertimbangkan kepadatan dan integrasi. Dua gratis di kedua ujung gelombang terpandu bus untuk menyuntikkan sumber cahaya lebar band atau menyapu panjang gelombang dan mengumpulkan spektrum transmisi. Spektrum transmisi dihitung secara numerik menggunakan metode elemen hingga dengan kondisi batas pencaran. Dalam simulasi numerik, gelombang datar diinjeksikan dari gratis kiri gelombang terpandu bus melalui port untuk mengeksciti mode TM dasar dari SP. Cahaya yang ditransmisikan dikumpulkan dari gratis kanan gelombang terpandu bus yang didefinisikan sebagai T = P_out/P_in, di mana P_in = ∫ PoavzdS₁ dan P_out = ∫ PoavzdS₂; Poavz adalah komponen z dari aliran daya waktu-rata-rata. Spektrum transmisi struktur diperoleh dengan menyapu parametrik panjang gelombang input. Struktur busur asimetrik ini dapat dibuat dengan langkah-langkah sebagai berikut: pertama, depo film Ag dengan tebal 500 nm pada substrat silika/silikon; kemudian, depo film silika dengan tebal 500 nm; terakhir, buat pola yang diperlukan termasuk gratis melalui EBL dan pengikisan. Skema terpasang sisi yang diusulkan potensialnya memiliki persyaratan pembuatan yang kurang ketat dibandingkan perangkat berdasarkan kopling evanescent dan dapat digunakan untuk mencapai kopling efisien dalam struktur plasmonik MIM penting lainnya.

Diagram skematik struktur busur asimetrik

Hasil dan Pembahasan

Tidak seperti resonator persegi panjang normal, resonator segitiga dalam busur ditentukan tidak hanya oleh panjang sisi, tetapi juga sudut. Jadi, kami pertama-tama menyelidiki dampak sudut yang terhubung ke gelombang terpandu bus pada transmisi dan properti resonansi struktur yang diusulkan dengan satu resonator segitiga tunggal. Spektrum transmisi resonator segitiga tunggal ditunjukkan pada Gambar 2. Semua ketinggian resonator tetap pada 0,8 μm. Sudut atas resonator segitiga terhubung ke gelombang terpandu bus yang memungkinkan energi elektromagnetik side-coupled dari gelombang terpandu bus ke dalam resonator segitiga. Dengan demikian, lembah transmisi yang dalam muncul pada spektrum pada Gambar 2. Kuantitas, bandwidth, dan panjang gelombang lembah ditentukan oleh parameter struktural resonator. Untuk sudut 20°, terdapat dua lembah transmisi yang dalam pada spektrum. Lembah resonansi pada panjang gelombang yang lebih lama adalah orde 0 dan orde 0 dalam arah longitudinal dan horizontal, masing-masing. Saat panjang gelombang menurun, ketinggian resonator memungkinkan satu simpul gelombang berdiri lebih, yaitu orde 1 dalam arah longitudinal. Situasi untuk sudut 40° mirip dengan 20°. Seiring bertambahnya sudut, satu lembah resonansi muncul dalam spektrum. Sudut yang lebih besar membuat distribusi modal terpisah dalam arah horizontal yang membentuk mode tinggi orde 1 dalam arah horizontal. Untuk sudut yang lebih besar 80°, mode L: orde 0 terpisah dalam arah horizontal membentuk L: 1st; H: 1st mode. Dengan demikian, peningkatan sudut menghasilkan baik pergeseran panjang gelombang maupun pemisahan distribusi modal dalam arah horizontal yang membentuk mode tinggi. Pergeseran panjang gelombang tidak memiliki hubungan langsung dengan sudut, karena variasi sudut juga mengubah panjang sisi. Jadi, untuk mempertahankan properti resonansi yang stabil, sudut kecil disukai.

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

Ketinggian resonator adalah parameter kunci untuk properti resonansi. Spektrum transmisi perangkat dengan satu resonator segitiga untuk ketinggian resonator yang bervariasi dari 0,8 hingga 1,1 μm ditunjukkan pada Gambar 3a. Sudut busur 40° dipilih selama simulasi. Dalam rentang panjang gelombang dari 1,2 hingga 1,8 μm, masing-masing spektrum memiliki satu lubang tunggal, yang berarti lembah resonansi. Semua transmisi lembah sekitar 0,1. Seperti yang ditunjukkan oleh insets Gambar 3a, distribusi elektromagnetik H_z pada panjang gelombang resonansi dan non-resonansi, mayoritas energi elektromagnetik tersatup dalam resonator segitiga pada panjang gelombang resonansi, sementara sebagian besar panjang gelombang lain dari cahaya wideband yang diinjeksikan ditransmisikan melalui gelombang terpandu bus. Seiring bertambahnya ketinggian, panjang gelombang lembah menunjukkan perilaku geser merah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b, pergeseran panjang gelombang proporsional terhadap ketinggian dengan linearitas yang luar biasa. Pergeseran panjang gelombang resonansi dapat dijelaskan melalui kondisi gelombang berdiri Nλ_N = 2n_gL, N = (1, 2, 3…). Untuk N tertentu, ketinggian yang lebih besar dari resonator segitiga menyebabkan geser merah panjang gelombang resonansi, sementara ketinggian yang lebih pendek menyebabkan geser biru panjang gelombang resonansi. Untuk sudut yang berbeda, hubungan antara panjang gelombang resonansi dan ketinggian tetap mirip, yang membuat pembuatan feasible tanpa persyaratan yang ketat.

Properti transmisi resonator segitiga tunggal. a Spektrum transmisi resonator segitiga tunggal untuk ketinggian yang bervariasi. b Ketergantungan panjang gelombang resonansi terhadap ketinggian untuk sudut 40°, 60°, dan 80°. Insets adalah medan magnet H_z yang sesuai dengan panjang gelombang resonansi dan non-resonansi

Untuk merealisasikan transmisi PIT, diperlukan kopling kuat antara dua resonator dengan panjang busur yang sedikit tidak sejenis. Struktur busur asimetrik yang diusulkan yang terdiri dari resonator segitiga dengan ketinggian yang sedikit tidak sejenis memungkinkan kopling kuat di antara resonator. Dengan menyesuaikan halus ketinggian dari dua resonator segitiga, puncak transmisi transparan akan muncul dalam larangan resonansi tunggal. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a, sudut 20° dipilih untuk mempertahankan hanya satu lembah dalam rentang panjang gelombang dan ketinggian dipilih dengan halus untuk membuat band transmisi PIT terletak sekitar 1,55 μm untuk aplikasi komunikasi optik. Spektrum transmisi resonator tunggal dengan ketinggian 0,93 μm digambarkan sebagai garis merah terputus. Lembahnya terletak pada 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 biru terputus dan lembahnya terletak pada 1,61 μm. Kemudian, energi elektromagnetik di dalam resonator yang dipasangkan secara kuat saling terkait, membentuk spektrum transmisi dengan dua lembah dalam dan satu puncak transparan, yang digambarkan sebagai garis hitam solid. Puncak transparan terletak di tengah antara dua lembah dalam, yang merupakan larangan untuk resonator tunggal. Seperti yang ditunjukkan oleh insets, pada lembah pertama, mayoritas energi elektromagnetik tersatup dalam resonator di bawah gelombang terpandu bus daripada resonator atas. Pada lembah kedua, mayoritas energi elektromagnetik tersatup dalam resonator atas sebagai gantinya. Ini sangat mirip dengan resonator tunggal. Pada puncak transparan, sekitar 75% energi elektromagnetik ditransmisikan melalui gelombang terpandu bus, dan hanya sebagian kecil energi yang tersatup ke dalam resonator busur asimetrik, membentuk band transparan untuk energi elektromagnetik yang menyebar. Perlu dicatat bahwa PIT juga dapat diperoleh dalam struktur busur asimetrik dengan sudut yang berbeda. Namun, panjang gelombang lembah bersama dengan panjang gelombang puncak tidak bervariasi monoton dengan sudut, yang membuat kontrol puncak transparan sangat sulit. Selain itu, seperti yang disebutkan di bagian atas, resonator dengan sudut yang lebih besar menghasilkan resonansi multimode, yang merugikan kontrol efek PIT. Jadi, hanya PIT yang diinduksi oleh perbedaan ketinggian yang diuraikan dalam makalah ini. Efek PIT dalam struktur busur asimetrik yang diusulkan sensitif terhadap ketinggian. Untuk mempertahankan 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 terhadap efek PIT. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b, dengan memilih set nilai ketinggian resonator yang tepat, puncak transparan dapat dipertahankan pada 1,55 μm. Rasio maksimum puncak transparan terhadap lembah serapan dapat lebih dari 10 dB. Lebar dan transmitansi keduanya memiliki hubungan positif dengan perbedaan ketinggian. Pada Gambar 4c, lebar setengah maksimum (FWHM) band transparan proporsional terhadap perbedaan ketinggian dengan perilaku linier kurang lebih, yang konsisten dengan perilaku pada Gambar 3b. Karena adanya dissipasi logam, transmisi transparan total efek PIT tidak praktis. Transmitansi puncak pertama meningkat cepat seiring bertambahnya perbedaan ketinggian dan kemudian cenderung stabil di atas 0,8.

Transmisi PIT struktur busur asimetrik. a Spektrum transmisi PIT. b Spektrum transmisi PIT untuk perbedaan ketinggian yang bervariasi. c FWHM dan transmitansi puncak sebagai fungsi perbedaan ketinggian

Seperti yang diuraikan di bagian atas, lembah dan puncak transparan ditentukan oleh parameter struktural dan materi medium di dalam resonator dan gelombang terpandu bus. Dengan demikian, penginderaan berbasis PIT dalam struktur busur asimetrik yang diusulkan adalah feasible. Sebelumnya, gelombang terpandu bus dan resonator diisi oleh udara, yang berarti kosong dan dapat digunakan sebagai wadah untuk cairan. Dalam simulasi, gelombang terpandu bus dan resonator diisi oleh cairan. Indeks refraktifnya bervariasi dari 1,30 hingga 1,40, mencakup berbagai cairan umum seperti air, aseton, metil alkohol, etil alkohol, propil alkohol, larutan glukosa, dll. [26]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5a, puncak transparan menunjukkan geser merah seiring bertambahnya indeks refraktif cairan. Setiap puncak dapat dengan jelas dibedakan dan transmitansi puncak hampir tetap stabil. Pada Gambar 5b, fungsi panjang gelombang puncak sebagai indeks refraktif untuk perbedaan ketinggian 50 nm, 70 nm, 90 nm, 120 nm, dan 150 nm langsung proporsional. Pergeseran panjang gelombang memiliki linearitas yang luar biasa. Sensitivitas yang dihitung untuk perbedaan ketinggian semuanya sekitar 1140 nm/RIU, dan resolusi penginderaan yang sesuai adalah 8,8 × 10⁻⁵ RIU. Jadi, sensor indeks refraktif berbasis PIT busur asimetrik memiliki sensitivitas yang sangat tinggi dan kekebalian yang luar biasa terhadap deviasi pembuatan.

Properti penginderaan berbasis PIT. a Spektrum transmisi perbedaan ketinggian 90 nm untuk indeks refraktif yang bervariasi dari 80 hingga 120 nm. b Ketergantungan panjang gelombang puncak terhadap indeks refraktif untuk berbagai perbedaan ketinggian

Kesimpulan

Kami mengusulkan struktur busur asimetrik untuk merealisasikan efek PIT. Properti transmisi resonator dengan parameter struktural yang berbeda dihitung secara numerik menggunakan metode elemen hingga. Melalui kopling kuat antara resonator segitiga yang tidak sejenis, band transmisi transparan dapat diperoleh dalam larangan resonansi tunggal. Dengan ketiga dimensi lebih kecil dari panjang gelombang bebas ruang, perangkat memiliki struktur yang sederhana dan ultra-kompak. Perangkat ini juga memiliki kekebalian yang luar besar terhadap deviasi pembuatan, sehingga mudah dibuat tanpa persyaratan yang ketat. Selain itu, properti penginderaan berbasis PIT telah divisualisasikan menggunakan struktur busur asimetrik yang diusulkan. Perangkat dapat mencapai sensitivitas maksimum 1140 nm/RIU; resolusi penginderaan yang sesuai adalah 8,8 × 10⁻⁵ RIU. Sensitivitas memiliki linearitas dan konsistensi yang luar besar untuk perbedaan ketinggian yang bervariasi. Dengan demikian, struktur busur asimetrik yang diusulkan memberikan platform baru untuk perangkat EIT-like on-chip dan sensor indeks refraktif.

Ketersediaan Data dan Bahan

Dataset tersedia tanpa pembatasan.

Singkatan

EIT:

Transparansi induksi elektromagnetik

FWHM:

Lebar setengah maksimum

MIM:

Logam-insulator-logam

PIT:

Transparansi induksi plasmon