Transmission par diode optique dichroïque dans deux réseaux métalliques parallèles disloqués

Introduction

La diode optique, qui transmet les photons dans une direction et interdit la transmission dans la direction inverse, a attiré une attention considérable en raison de la propriété de transmission unidirectionnelle [1]. Des phénomènes de diodes optiques peuvent être observés lorsque la symétrie d'inversion temporelle de l'interaction lumière-matière est rompue. Un champ magnétique externe [2], une tension de polarisation [3], une onde acoustique [4] ou une modulation en fonction du temps [5, 6] peuvent être appliqués pour obtenir l'effet de diode optique. De plus, la structure de brisure de symétrie d'inversion spatiale est un choix alternatif, comme les structures multicouches asymétriques [7], les cristaux photoniques asymétriques [8] et les réseaux asymétriques [9]. Au cours des dernières décennies, les structures micro-nano métalliques ont suscité un grand intérêt en raison des propriétés prometteuses des plasmons de surface (SP). Les dispositifs plasmoniques sont proposés dans de nombreux domaines de recherche tels que l'holographie de métasurface [10,11,12,13,14], le capteur d'indice de réfraction [15, 16] et le filtre [17, 18]. Les dispositifs plasmoniques peuvent modifier fortement l'interaction des champs électromagnétiques à l'échelle nanométrique [19]. La modulation sur les SP peut être réalisée en modifiant l'environnement diélectrique environnant et les paramètres géométriques des structures métalliques [20, 21]. Diodes optiques composées de structures métalliques à l'échelle nanométrique, par exemple, des réseaux sandwich à couche plasmonique [22, 23], des réseaux plasmoniques en cascade [24, 25], des nanotrous plasmoniques [26], un guide d'ondes à fente plasmonique [27] et des agrégats de nanoparticules plasmoniques [28] , sont largement étudiés dans le but de traitement optique de l'information.

Dans cet article, la transmission par diode optique dichroïque est obtenue dans deux réseaux métalliques parallèles disloqués prenant en sandwich une plaque diélectrique. L'amélioration de la transmission et le rapport de contraste d'isolement élevé sont obtenus dans les deux bandes d'ondes de fonctionnement avec des directions de transmission inversées, car les réseaux métalliques constitués de fentes étroites présentent une transmission lumineuse extraordinaire [29, 30] et les structures asymétriques réalisent une transmission unidirectionnelle [27, 28, 29, 30 ,31]. Selon l'ordre d'éclairage, deux réseaux métalliques avec des constantes de réseau différentes servent respectivement de sélecteur et d'émetteur. Le sélecteur sélectionne la longueur d'onde de résonance en excitant les SP et, avec la contribution des SP, l'émetteur réalise la transmission de la lumière. Lorsque la direction incidente est inversée, les rôles de deux réseaux s'échangent et les SP sont excités à une autre longueur d'onde. Par conséquent, la transmission par diode optique dichroïque est obtenue. L'épaisseur de la structure de la diode optique proposée dans cet article est aussi petite que 160 nm. Avec le développement des technologies de nanofabrication, de nombreuses méthodes peuvent être appliquées à la fabrication de structures de réseaux métalliques, telles que la lithographie par nanoimpression ultraviolette [32], la lithographie par écriture directe par laser [33] et la lithographie par faisceau d'électrons [34]. Le caractère de la diode optique est indépendant de l'intensité incidente. Ces propriétés impliquent que notre structure a des potentiels étendus en intégration optique.

Méthodes

Le schéma de la structure de la diode optique est illustré à la Fig. 1. La structure se compose de deux réseaux d'argent G ₁ et G ₂ prendre en sandwich une couche de silice. L'épaisseur de la couche de silice est notée d . G ₁ et G ₂ avoir la même largeur de fente s , la même épaisseur h , et différentes constantes de réseau Λ _i (i = 1, 2). La structure est symétrique en translation et la cellule unitaire contient 2 unités de G ₁ et 3 unités de G ₂ . Δ désigne la position relative latérale de G ₁ et G ₂ dans une cellule unitaire. Le modèle de Drude [35] est utilisé pour décrire la fonction diélectrique de l'argent. L'indice de réfraction de la silice est de 1,5, sans tenir compte de sa dispersion. Le diélectrique environnant est de l'air et son indice de réfraction est de 1. Onde plane incidente normale de p -la polarisation est utilisée pour étudier l'effet de la diode optique.

Schéma de principe de la structure de la diode optique. un La cellule unitaire. b Vue d'ensemble

Transmission T de la structure de la diode optique est définie comme suit :

où P _i est la puissance incidente et P _o est la puissance de sortie. T est simulé numériquement en utilisant la méthode du domaine temporel aux différences finies (FDTD) [36]. Des conditions aux limites périodiques sont utilisées sur les côtés gauche et droit, et des limites de couche parfaitement adaptées sont appliquées aux côtés supérieur et inférieur de notre modèle de simulation. T _D et T _U représentent la transmittance pour l'incidence vers le bas et l'incidence vers le haut, respectivement. La propriété de la diode optique est décrite par le rapport de contraste d'isolement η :

Par conséquent, η = 1 signifie la meilleure performance de diode optique.

Résultats et analyses théoriques

La transmission et le rapport de contraste d'isolement de la structure de la diode optique sont illustrés à la figure 2. T _D est différent de T _U lorsque la longueur d'onde incidente est inférieure à λ _C . T _D atteint la valeur maximale 0,73 et T _U est 3,7 × 10 ⁻³ à λ _D (1315 nm). Considérant que T _U atteint la valeur maximale 0,82 et T _D est 3,6 × 10 ⁻⁴ à λ _U (921 nm). Les rapports de contraste d'isolement à λ _D et λ _U sont respectivement de 0,990 et 0,999. La figure 2 montre que l'effet de diode optique est obtenu à environ λ _D et λ _U , et les deux bandes d'ondes ont des directions de transmission inversées. Dans les bandes de fréquences de fonctionnement des diodes dichroïques, la structure présente une transmission extraordinaire.

Spectres de transmission et rapport de contraste d'isolement de la structure de la diode optique avec d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ ₁ = 900 nm, Λ ₂ = 600 nm, et Δ = 0 nm

Afin de comprendre la transmission dichroïque des diodes optiques, l'intensité du champ électrique |E | ² à deux gammes d'ondes de fonctionnement sont simulées. Comme le montrent les figures 3a, d, le champ électrique est amélioré entre deux réseaux lorsque la lumière est transmise à travers la structure de la diode optique. Pendant ce temps, les figures 3b, c montrent l'état de blocage inverse. L'augmentation du champ électromagnétique entre deux réseaux est due aux SP au niveau de deux interfaces argent/silice adjacentes. Les types de SP à deux réseaux sont différents, qui sont classés respectivement en SP structurés (SSP) et en SP induits (ISP). Le SSP est excité et généré au niveau du premier réseau illuminé (sélecteur). Les ISPs sont induits au niveau de ce dernier réseau (émetteur) par le couplage entre les SPP et l'interface argent/silice adjacente. En raison des SSP et des FAI, la lumière se transmet à travers la structure de la diode optique.

Distributions de l'intensité du champ électrique |E | ² pour une incidence à la baisse à λ _D = 1315 nm (a ), incidence à la hausse à λ _D = 1315 nm (b ), incidence à la baisse à λ _U = 921 nm (c ), et une incidence à la hausse à λ _U = 921 nm (d )

Densité de charge de surface sur l'interface argent/silice et E _y composant de la distribution du champ électrique sont illustrés sur la Fig. 4 pour révéler les fonctions de couplage des SP. Sur la figure 4a, G ₁ et G ₂ ont des charges opposées sur leurs surfaces adjacentes, ce qui est similaire au condensateur à plaque plate. Sous la condition d'incidence à la baisse, G ₁ agit comme un sélecteur pour exciter les SSP à λ _D . La distribution périodique de la densité de charge de surface représente que les SPP sont déterminés par la constante de réseau de G ₁ . G ₂ prend en charge les FAI induits par les SPP et joue le rôle d'émetteur pour la transmission. E _y entre G ₁ et G ₂ est amélioré en raison du couplage entre les SPP et les FAI, comme le montre la figure 4b. Pour la condition incidente vers le haut illustrée à la Fig. 4c, d, G ₂ agit en tant que sélecteur et G ₁ agit comme émetteur.

La densité de charge de surface sur l'interface argent/silice à G ₁ et G ₂ , sous condition d'incidence à la baisse à λ _D = 1315 nm (a ) et une incidence à la hausse à λ _U = 921 nm (c ). Eh composante du champ électrique dans la condition d'incidence descendante à λ _D = 1315 nm (b ) et une incidence à la hausse à λ _U = 921 nm (d )

Comme on peut le voir sur la figure 4, le champ de transmission est périodique et non uniforme dans le sens horizontal (x -axe) direction. La période Λ (Λ = 2Λ ₁ = 3Λ ₂ ) de la distribution du champ de transmission est modulée par la structure de diode optique intégrale et satisfait à 2π/Λ = |g ₁ -g₂ |, ici g _i est le vecteur réseau de G_i (i = 1, 2). L'efficacité de diffraction du réseau est augmentée pour l'existence de SP. Le vecteur d'onde latérale κ de la lumière transmise provient de la superposition de g ₁ et g ₂ :

Et il décide de la longueur d'onde critique λ _C (λ _C = 2π/|κ|) pour T _D ≠ T _U . Selon l'éq. (3), λ _C est de 1800 nm pour notre structure mentionnée ci-dessus, ce qui est en bon accord avec les résultats de la simulation λ _C = 1806 nm illustré à la Fig. 2. Les effets de diodes optiques apparaissent dans la plage de λ ≤ λ _C . Selon les résultats de la simulation, la période des réseaux intégrés (1800 nm) est plus grande que les longueurs d'onde de fonctionnement de la diode (1315 nm et 921 nm). Des composants de diffraction multi-ordres peuvent être obtenus avec la diffusion de la lumière à partir des réseaux intégrés. Ainsi, le champ de transmission n'est pas uniforme le long de la direction parallèle aux réseaux, même lorsque la lumière est transmise vers le champ lointain.

Les SSP du réseau d'argent sont similaires aux SP sur l'interface planaire argent/silice, sauf que les SSP sont en mode radiatif [37], tandis que les SP sont des modes complètement liés à la surface. Les SSP peuvent être traités comme des SP sur une interface argent/silice planaire approximativement lorsque les fentes des réseaux sont extrêmement étroites. Ainsi, la relation de dispersion des SSP peut être écrite comme suit [38] :

où k ₀ est le vecteur d'onde de l'espace libre et ɛ _m et ɛ _d sont respectivement le coefficient diélectrique de l'argent et de la silice. La relation de dispersion décrite par l'Eq. (4) est illustré sur la figure 5. La courbe de dispersion calculée en utilisant les paramètres du modèle Drude [35] dans cet article correspond bien à celle calculée en utilisant les ensembles de données de constantes optiques de Johnson et Christy [39] lorsque l'énergie des photons est inférieure à 2,75 eV (λ> 450 nm). Sur la figure 5, les lignes verticales en tirets rouges et noirs représentent |g _1| et |g ₂ |, respectivement. Les SSP sont excités par le réseau lorsque la condition d'appariement vectoriel [40] est satisfaite :

Dispersion des SP sur l'interface planaire argent/silice calculée en utilisant le modèle Drude et les données de constante optique de Johnson et Christy. Les tirets verticaux rouges et noirs représentent le module vectoriel du réseau |g ₁ | et |g ₂ |, respectivement

Pour une incidence normale (θ = 0°), le premier ordre (N = 1) la diffraction d'un réseau a l'efficacité de diffraction la plus élevée, c'est-à-dire la plus grande efficacité d'excitation pour les SSP. Ainsi, l'éq. (5) est rempli aux points rouge et noir illustrés à la Fig. 5 :

Dans la structure de la diode optique, G₁ est le sélecteur pour exciter les SSP pour une incidence à la baisse et G ₂ est le sélecteur pour l'incidence vers le haut. G ₁ et G ₂ ont des constantes de réseau différentes, de sorte que les SSP sont excités à différentes longueurs d'onde pour les directions d'incidence inverse. Sur la figure 5, l'énergie des photons au point rouge est de 0,91 eV et la longueur d'onde est de 1365 nm, ce qui correspond à λ _D (1315 nm) illustré à la Fig. 2. De même, l'énergie du photon indiquée par le point noir est de 1,04 eV et sa longueur d'onde est de 924 nm, correspondant à λ _U (921 nm) sur la figure 2. En tant qu'approximation du réseau à la plaque, les longueurs d'onde de résonance des SSP calculées en utilisant l'équation. (4) et Éq. (6) ne sont pas exactement égaux à ceux simulés en utilisant les méthodes FDTD illustrées à la Fig. 2.

L'équation (5) indique que l'angle incident θ influence la condition d'adaptation du vecteur d'onde du réseau aux SSP. Avec le changement de θ , la transmittance et le rapport de contraste d'isolement à λ _D (1315 nm) et λ _U (921 nm) sont simulés et représentés sur les Fig. 6a, b, respectivement. Avec θ croissant de 0° à 10°, T _D à λ _D et T _U à λ _U diminution de la discordance du vecteur d'onde entre g _i et SSP. (T _D à λ _D diminue à 0 lorsque θ ≈ 40° et T _U à λ _U diminue à 0 lorsque θ ≈ 35°.) Dans la plage d'angle d'incidence de 0° ≤ θ ≤ 5°, T _D à λ _U et T _U à λ _D sont presque 0, et η garde toujours plus grand que 0.98 à la fois λ _U et λ _D . La figure 6 montre que la structure affiche un bon effet de diode optique à λ _D et λ _U sous incidence aux petits angles.

L'influence de l'angle d'incidence sur la transmission et le rapport de contraste d'isolement à λ _D = 1315 nm (a ) et λ _U = 921 nm (b )

Enquête et discussion

Dans cette section, nous étudions l'influence des paramètres de structure sur les spectres de transmission et le rapport de contraste d'isolement.

L'épaisseur intercalaire d et grilles position relative latérale Δ sont limités par la précision de fabrication. L'influence de d et Δ sur les spectres de transmission et les rapports de contraste d'isolement sont représentés sur les Fig. 7 et 8, respectivement. La figure 7 montre que les gammes d'ondes de fonctionnement de la diode optique présentent un léger décalage vers le rouge lorsque d augmente. Pendant ce temps, la valeur maximale de T _D diminue très peu, mais la valeur maximale de T _U diminue considérablement. L'augmentation de d allongera la distance de transmission de la lumière à travers la structure, affaiblira l'interaction électromagnétique entre G ₁ et G ₂ , et altérer la densité de charge induite à la surface de l'émetteur. Comme on le voit sur la figure 4, les charges réparties aux coins des fentes de l'émetteur agissent comme des sources dipolaires électriques du champ de transmission. Densité de charge aux coins des fentes de l'émetteur G ₂ (Fig. 4a) est beaucoup plus grande que celle aux coins des fentes de l'émetteur G ₁ (Fig. 4c), donc d influence moins la valeur maximale de T _D que celui de T _U . De plus, avec l'augmentation de d , petits pics marqués comme FP₁ et FP₂ apparaître dans T _U et le pic de transmission de FP₁ présente un grand redshift. Intensité du champ électrique |E | ² les distributions prouvent que FP₁ et FP₂ résultent des résonances Fabry-Pérot.

L'influence de d sur les spectres de transmission et le rapport de contraste d'isolement. d = 220 nm (a ), d = 240 nm (b ), et d = 260 nm (c ) lorsque s = h = 50 nm, Λ ₁ = 900 nm, Λ ₂ = 600 nm, et Δ = 0 nm. Les encarts sont des distributions d'intensité de champ électrique |E | ² pour les résonances de transmission vers le haut

L'influence de Δ sur les spectres de transmission et le rapport de contraste d'isolement. Δ = 50 nm = Λ ₂ /12 (a ), Δ = 100 nm = Λ ₂ /6 (b ), et Δ = 150 nm = Λ ₂ /4 (c ) lorsque d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ ₁ = 900 nm, et Λ ₂ = 600 nm. Les encarts dans (b ) sont E _y distributions pour les résonances de transmission vers le haut

Comme le montre la figure 1, la structure de la diode optique est périodique et elle a la même cellule unitaire lorsque Δ = a ± MΛ ₂ /2 (0 nm < a < Λ ₂ /2 et M = 0, 1, 2…). De plus, la maille unitaire de Δ = a est symétrique flip gauche-droite avec celui de Δ = − a ± MΛ ₂ /2 et ils peuvent réaliser le même effet de transmission. Ainsi, la transmittance de la structure de la diode optique est affectée par Δ comme :T (Δ ) = T (Δ + Λ ₂ /2) = T (− Δ + Λ ₂ /2). Comme le montre la figure 8, effet de diode optique à λ ~921 nm s'allume et s'éteint dans un délai de Λ ₂ /2 comme Δ augmente. Cependant, le pic de transmission de T _D présente un léger décalage vers le bleu et l'effet de diode optique à λ ~1315 nm est toujours activé lorsque Δ augmente. Vu sur la figure 8a, un nouveau pic de transmission à λ _N émerge en T _U courbe près de λ _U . Quand Δ augmente à partir de Λ ₂ /12 à Λ ₂ /6, le pic à λ _N présente un décalage vers le bleu tandis que le pic à λ _U présente un décalage vers le rouge (Fig. 8a, b). E _y distributions pour les résonances de transmission à λ _U et λ _N sont insérés dans la Fig. 8b. D'après les résultats de la simulation, la résonance à λ _N génère en raison de la division de l'énergie. Quand Δ passe à Λ ₂ /4, illustré à la Fig. 8c, T _U est supprimée et deux résonances de transmission disparaissent, ce qui fait que l'effet de la diode optique s'éteint à λ ~921 nm.

Selon l'analyse théorique, la gamme d'ondes de fonctionnement de la diode optique peut être obtenue dans une certaine plage en optimisant les paramètres de réseau. La figure 9 montre que la transmission de la diode optique dichroïque est obtenue dans la plage de lumière visible avec les paramètres de structure d = 100 nm, Λ ₁ = 450 nm, Λ ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, et Δ = 0 nm. Les transmittances maximales des bandes d'ondes de transmission des diodes dichroïques sont de 80 % (à 522 nm pour une incidence vers le haut) et de 71 % (à 732 nm pour une incidence vers le bas), et les rapports de contraste d'isolement correspondants η sont 0,998 et 0,993.

Spectres de transmission et rapport de contraste d'isolement pour la structure de la diode optique avec d = 100 nm, Λ ₁ = 450 nm, Λ ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, et Δ = 0 nm

De plus, la composante de la cellule unitaire dans notre structure influence également les phénomènes de diodes optiques. Selon l'éq. (5), les bandes d'ondes de l'effet diode dépendent de Λ ₁ et Λ ₂ . Dans notre recherche, nous sélectionnons la cellule unitaire composée de 2 unités de G ₁ et 3 unités de G ₂ , c'est-à-dire 2Λ ₁ = 3Λ ₂ , afin d'obtenir simultanément des transmittances élevées et de bons rapports de contraste d'isolement dans les bandes d'ondes des diodes optiques. Par exemple, la figure 10 montre la transmission dichroïque de la structure de la diode optique avec sa cellule unitaire constituée de 3 unités de G ₁ et 4 unités de G ₂ . Les effets de diodes optiques sont obtenus à 530 nm avec T _U = 72 % et 659 nm avec T _U = 76%. Les rapports de contraste d'isolement aux deux longueurs d'onde sont réduits à 0,912 et 0,987, car la différence de |g ₁ | et |g ₂ | est petit et le réseau agissant comme un sélecteur peut exciter les SSP des deux réseaux à des rendements différents. De plus, lorsque Λ ₁ = 2Λ ₂ , la résonance de transmission SPs dans la structure de la diode optique provoquée par la diffraction du premier ordre de G ₂ peut également être excité par la diffraction du second ordre de G ₁ pour 2g ₁ = g ₂ , ce qui réduirait le rapport de contraste d'isolement. Ainsi, la bonne propriété de la diode optique nécessite que deux constantes de réseau aient une différence suffisante et évitent la relation multiple entière.

Spectres de transmission et rapport de contraste d'isolement pour la structure de la diode optique avec la cellule unitaire comprenant 3 unités de G ₁ et 4 unités de G ₂ . d = 100 nm, Λ ₁ = 400 nm, Λ ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, et Δ = 0 nm

Conclusions

La transmission par diode optique dichroïque basée sur les SP est réalisée dans notre structure, qui se compose de deux réseaux d'argent parallèles disloqués et d'une couche intermédiaire de silice. Le premier réseau métallique illuminé sélectionne la bande d'ondes de transmission en excitant les SSP, et l'autre réseau métallique émet de l'énergie électromagnétique vers l'avant à travers les oscillations des électrons superficiels. Lorsque la direction incidente de la lumière est inversée, les rôles de deux réseaux s'échangent et une autre bande de transmission de diode optique apparaît. Le rapport d'isolation optique peut presque atteindre jusqu'à 1. Les bandes d'ondes de transmission des diodes optiques peuvent être ajustées pour être dans différentes régions en modifiant les paramètres de structure. Les bandes d'ondes et la transmittance de fonctionnement de la diode optique sont indépendantes de l'intensité incidente. L'épaisseur de la structure n'est que de quelques centaines de nanomètres. Ces propriétés de notre structure offrent un large éventail d'applications dans les circuits intégrés.

Abréviations

FAI :

Plasmons de surface induits.

SP :

Plasmons de surface

SSP :

Plasmons de surface structurés