Transparence induite par le plasmon dans une structure asymétrique en nœud papillon

Contexte

L'effet de transparence induite électromagnétiquement (EIT), qui résulte d'une interférence destructrice quantique entre deux voies dans des systèmes atomiques à trois niveaux [1, 2], montre d'énormes applications potentielles dans la propagation de la lumière lente [3, 4], l'optique non linéaire [5], et stockage optique [6]. Dans un système EIT, l'effet d'interférence quantique réduit l'absorption de la lumière sur une région spectrale étroite, produisant une résonance nette de transmission presque parfaite dans un large profil d'absorption [7]. Cependant, l'effet EIT est très sensible à l'élargissement dû au mouvement atomique. La réalisation de l'effet EIT nécessite des lasers à gaz stables et des environnements rigoureux, ce qui entrave ses applications pratiques. Récemment, des types de configurations ont été proposés pour imiter la transmission de type EIT sans la demande de conditions expérimentales rigoureuses, y compris des micro-résonateurs couplés [8,9,10,11,12], des anneaux fendus et des métamatériaux [13,14, 15,16] composé de matériaux diélectriques et métalliques. Parmi eux, l'EIT à base de métamatériaux avec des motifs unitaires périodiques nécessite un signal lumineux excité incident dans la direction non parallèle à la surface de la puce. Avec le signal lumineux excité incident dans la direction parallèle à la surface de la puce, les micro-résonateurs couplés sont remarquables pour répondre aux exigences des applications d'intégration sur puce de la transmission de type EIT. Pour réduire davantage l'empreinte des dispositifs EIT, la transparence induite par plasmon (PIT) a été proposée comme analogue à l'EIT classique avec un fort confinement optique au-delà de la limite de diffraction des ondes électromagnétiques [17,18,19]. Les plasmons de surface sont des oscillations induites optiquement des électrons libres à l'interface métal/diélectrique présentant un fort confinement optique et des composants photoniques miniaturisés [20, 21]. Récemment, les guides d'ondes plasmoniques métal/isolant/métal (MIM) avec un confinement optique extrêmement élevé et un espacement plus rapproché des guides d'ondes adjacents sont un guide d'ondes nanométrique très prometteur qui est capable de surmonter la limite de diffraction et a diverses applications de capteurs plasmoniques [22], de coupleurs [ 23], et des filtres [24]. Ainsi, la transmission PIT basée sur MIM a un énorme potentiel dans les applications sur puce des communications optiques, du traitement de l'information optique et de l'optique non linéaire.

Ici, nous proposons une nouvelle structure de résonateurs désaccordés pour obtenir une transmission PIT dans des guides d'ondes MIM. Le dispositif à structure plane est composé de deux résonateurs triangulaires désaccordés et d'un guide d'ondes de bus, formant une structure asymétrique en nœud papillon pour permettre l'effet PIT. En raison de la réponse sensible et linéaire de la longueur d'onde de crête transparente aux paramètres structurels et au milieu à l'intérieur du guide d'ondes, le dispositif proposé permet une détection de l'indice de réfraction basée sur le PIT. Avec une structure compacte et facile à réaliser, l'appareil pourrait être d'une grande importance dans les intégrations photoniques sur puce.

Méthodes

Le schéma de la structure asymétrique du nœud papillon est représenté sur la figure 1, où le matériau de fond en bleu est de l'argent, dont la permittivité est décrite par le modèle de Drude de \( {\varepsilon}_r={\varepsilon}_{\infty }- {\omega}_p^2/\left({\omega}^2+ j\gamma \omega \right) \), avec ε _∞ =3.7, ω _p =9.1 eV et γ =0,018 eV. Les paramètres adoptés ici dans l'équation ci-dessus correspondent aux données expérimentales aux fréquences de communications optiques [25]. Tous les guides d'ondes MIM sont remplis d'air. La longue bande au centre de la structure est le guide d'ondes du bus pour la transmission de la lumière. Des deux côtés du bus, les guides d'ondes sont les résonateurs nœud papillon. Les résonateurs nœud papillon sont asymétriques avec des paramètres structurels désaccordés comme l'altitude et l'angle indiqués par H _u , H _d , θ ₁ , et θ ₂ . Les tourbillons des triangles du nœud papillon se trouvent au milieu du guide d'ondes du bus. Ainsi, les résonateurs nœud papillon ont de petites connexions au guide d'ondes du bus permettant un couplage efficace entre eux. La largeur des guides d'ondes de bus est fixée à 100 nm et la longueur du guide d'ondes de bus n'a aucun effet sur le spectre de transmission PIT, à l'exception de la perte de transmission. Ainsi, sa longueur est fixée à 1 μm compte tenu de la compacité et de l'intégration. Deux réseaux aux deux extrémités du guide d'ondes bus doivent injecter une source lumineuse à large bande ou à balayage de longueur d'onde et collecter le spectre de transmission. Le spectre de transmission a été calculé numériquement en utilisant la méthode des éléments finis avec des conditions aux limites de diffusion. Dans la simulation numérique, une onde plane a été injectée à partir du réseau gauche du guide d'ondes du bus par un port pour exciter les modes TM fondamentaux des SP. La lumière transmise a été collectée à partir du réseau de droite du guide d'ondes du bus qui est défini comme T = P _sortie /P _dans , où P _dans =  ∫ P oavzdS ₁ et P_out =  ∫ PoavzdS ₂; Poavz est le z composante du flux de puissance moyen dans le temps. Les spectres de transmission de la structure sont obtenus en balayant paramétriquement la longueur d'onde d'entrée. Cette structure asymétrique en nœud papillon pourrait être fabriquée par les étapes suivantes :tout d'abord, déposer un film d'Ag d'une épaisseur de 500 µnm sur un substrat de silice/silicium; puis, déposer un film de silice d'une épaisseur de 500µnm; enfin, fabriquer le motif requis, y compris les réseaux par EBL et gravure. Le schéma à couplage d'ouverture proposé a potentiellement des exigences de fabrication moins strictes que les dispositifs basés sur le couplage évanescent et peut être utilisé pour réaliser un couplage efficace dans d'autres structures plasmoniques MIM importantes.

Schéma de principe de la structure asymétrique du nœud papillon

Résultats et discussion

Contrairement aux résonateurs rectangulaires normaux, les résonateurs triangulaires du nœud papillon sont déterminés non seulement par la longueur des côtés, mais également par les angles. Ainsi, nous étudions d'abord l'impact de l'angle connecté au guide d'onde du bus sur les propriétés de transmission et de résonance de la structure proposée avec un seul résonateur triangulaire. Les spectres de transmission d'un seul résonateur triangulaire sont illustrés à la Fig. 2. Toutes les hauteurs du résonateur sont fixées à 0,8  μm. L'angle supérieur du résonateur triangulaire est connecté au guide d'ondes de bus permettant un couplage latéral d'énergie électromagnétique du guide d'ondes de bus dans le résonateur triangulaire. Ainsi, des vallées de transmission profondes apparaissent sur les spectres de la figure 2. Ces longueurs d'onde de quantité, de bande passante et de vallée sont déterminées par les paramètres structurels du résonateur. Pour l'angle de 20°, il y a deux vallées de transmission profondes sur le spectre. La vallée de résonance à la longueur d'onde la plus longue est d'ordre 0 et d'ordre 0 dans les directions longitudinale et horizontale, respectivement. Avec une longueur d'onde décroissante, la hauteur du résonateur permet un nœud d'onde stationnaire supplémentaire, qui est du 1er ordre dans la direction longitudinale. La situation pour l'angle de 40° est similaire à celle de 20°. Au fur et à mesure que l'angle augmente, une vallée de résonance supplémentaire apparaît dans le spectre. L'angle plus grand divise la distribution modale dans une direction horizontale formant un mode d'ordre élevé de 1er ordre dans une direction horizontale. Pour un angle plus grand de 80°, le mode de L :0ème ordre se divise dans une direction horizontale formant L :1er; H :1er mode. Ainsi, l'angle croissant entraîne à la fois le décalage de la longueur d'onde et la division de la distribution modale dans une direction horizontale formant des modes d'ordre élevé. La longueur d'onde de décalage n'a pas de relations directes avec l'angle, car la variation d'angle modifie également la longueur du côté. Ainsi, pour maintenir les propriétés de résonance stables, les petits angles sont préférés.

Spectres de transmission du résonateur triangulaire unique pour des angles de 20° (a ), 40° (b ), 60° (c ), et 80° (d ). Les inserts sont le champ magnétique H _z correspondant aux longueurs d'onde de résonance

La hauteur du résonateur est le paramètre clé des propriétés de résonance. Les spectres de transmission du dispositif avec un seul résonateur triangulaire pour une hauteur de résonateur variant de 0,8 à 1,1 m sont illustrés à la Fig. 3a. Un angle de cavité de 40° a été sélectionné lors de la simulation. Dans la gamme de longueurs d'onde de 1,2 à 1,8 m, chacun des spectres a un seul creux, c'est-à-dire la vallée de résonance. Toutes les transmissivités de vallée sont de l'ordre de 0,1. Comme la distribution électromagnétique de H _z aux longueurs d'onde résonnantes et non résonnantes illustrées dans les encarts de la figure 3a, la majorité des couples d'énergie électromagnétique dans le résonateur triangulaire à la longueur d'onde de résonance, tandis que la plupart des autres longueurs d'onde de la lumière à large bande injectée sont transmises à travers le guide d'ondes du bus. Avec la hauteur incrémentielle, la longueur d'onde de la vallée présente un comportement de décalage vers le rouge. Comme le montre la figure 3b, la longueur d'onde de décalage est proportionnelle à la hauteur avec une excellente linéarité. Le décalage de la longueur d'onde de résonance peut être expliqué via la condition d'onde stationnaire Nλ _N = 2n _g L , N = (1, 2, 3…). Pour un N spécifique , la plus grande hauteur du résonateur triangulaire provoque le décalage vers le rouge de la longueur d'onde de résonance, tandis que la hauteur plus courte provoque le décalage vers le bleu de la longueur d'onde de résonance. Pour différents angles, la relation entre la longueur d'onde de résonance et la hauteur reste similaire, ce qui rend la fabrication possible sans exigences strictes.

Propriétés de transmission du résonateur triangulaire unique. a Spectres de transmission du résonateur triangulaire unique pour différentes hauteurs. b Dépendance de la longueur d'onde de résonance sur la hauteur pour des angles de 40°, 60° et 80°. Les inserts sont le champ magnétique H _z correspondant aux longueurs d'onde résonantes et non résonantes

Afin de réaliser la transmission PIT, un couplage fort entre les doubles résonateurs avec une longueur de cavité légèrement désaccordée est requis. La structure de nœud papillon asymétrique proposée composée de résonateurs triangulaires avec des hauteurs légèrement désaccordées permet un couplage fort entre les résonateurs. En réglant finement les hauteurs des résonateurs doubles triangulaires, un pic de transmission transparent apparaîtra dans la bande interdite du résonateur simple. Comme le montre la figure 4a, l'angle de 20° a été sélectionné pour maintenir une seule vallée dans la plage de longueurs d'onde et les hauteurs ont été finement sélectionnées pour que la bande de transmission PIT se situe autour de 1,55  μm pour les applications dans les communications optiques. Le spectre de transmission du résonateur unique d'une hauteur de 0,93 m est représenté par la ligne rouge en pointillés. Sa vallée se situe à 1,47 μm. Pour introduire une différence structurelle avec une différence de vallée, le résonateur unique d'une hauteur de 1,02 m est utilisé pour coupler le résonateur précédent. Le spectre est représenté par la ligne pointillée bleue et sa vallée se situe à 1,61  μm. Ensuite, l'énergie électromagnétique à l'intérieur des résonateurs appariés se couple fortement, formant un spectre de transmission avec deux vallées profondes et un pic transparent, qui est représenté par la ligne continue noire. Le pic transparent se situe au centre entre les deux vallées profondes, ce qui était une bande interdite pour les résonateurs simples. Comme le montrent les médaillons, au niveau de la première vallée, une énergie électromagnétique majeure se couple dans le résonateur sous le guide d'ondes du bus plutôt que dans le résonateur supérieur. Au niveau de la deuxième vallée, une énergie électromagnétique majeure se couple à la place dans le résonateur supérieur. Ceux-ci sont très similaires à ceux des résonateurs simples. Au pic transparent, environ 75 % de l'énergie électromagnétique est transmise à travers le guide d'ondes du bus, et seule une petite partie de l'énergie se couple dans les résonateurs asymétriques en nœud papillon, formant une bande transparente pour la propagation de l'énergie électromagnétique. Il est à noter que le PIT peut également être obtenu en structure de nœud papillon asymétrique avec des angles différents. Cependant, la longueur d'onde de la vallée ainsi que la longueur d'onde du pic ne varient pas de manière monotone avec l'angle, ce qui conduit à un contrôle très difficile du pic transparent. De plus, comme mentionné dans la section ci-dessus, le résonateur avec des angles plus importants donne lieu à une résonance multimode, ce qui est préjudiciable au contrôle de l'effet PIT. Ainsi, seul le PIT induit par la différence de hauteur est développé dans cet article. L'effet PIT dans la structure de nœud papillon asymétrique proposée est sensible à la hauteur. Pour maintenir le pic transparent à la longueur d'onde des communications optiques, plusieurs ensembles de valeurs de hauteur avec une différence de hauteur de 30 à 190  nm sont sélectionnés pour étudier l'impact de la différence de hauteur sur l'effet PIT. Comme le montre la figure 4b, en sélectionnant finement des ensembles de valeurs de hauteur de résonateur, le pic transparent peut être maintenu à 1,55  μm. Le rapport maximum entre le pic transparent et la vallée d'absorption peut être supérieur à 10 dB. La largeur et la transmittivité ont toutes deux une relation positive avec la différence de hauteur. Sur la figure 4c, la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) de la bande transparente est proportionnelle à la différence de hauteur avec un comportement approximativement linéaire, ce qui est cohérent avec le comportement de la figure 3b. En raison de l'existence de la dissipation métallique, la transmission totalement transparente de l'effet PIT n'est pas pratique. Le pic de transmission augmente d'abord rapidement avec l'augmentation de la différence de hauteur, puis tend à être stable au-dessus de 0,8.

Transmission PIT de la structure asymétrique en nœud papillon. un PIT Spectre de transmission. b Spectres de transmission PIT pour une différence de hauteur variable. c FWHM et transmission maximale en fonction de la différence de hauteur

Comme expliqué dans les sections ci-dessus, la vallée et le pic transparent sont déterminés par les paramètres structurels et le matériau du milieu à l'intérieur du résonateur et du guide d'ondes du bus. Ainsi, la détection basée sur le PIT dans la structure de nœud papillon asymétrique proposée est réalisable. Auparavant, le guide d'onde du bus et les résonateurs étaient remplis d'air, ce qui signifie vide et peut être utilisé comme conteneur de liquide. Dans la simulation, le guide d'onde du bus et les résonateurs sont remplis de liquide. Son indice de réfraction varie de 1,30 à 1,40, couvrant divers liquides courants d'eau, d'acétone, d'alcool méthylique, d'alcool éthylique, d'alcool propylique, de solution de glucose, etc. [26]. Comme le montre la figure 5a, le pic transparent présente un décalage vers le rouge avec l'augmentation de l'indice de réfraction du liquide. Chaque pic peut être clairement distingué et la transmittivité du pic reste presque stable. Sur la figure 5b, les fonctions de la longueur d'onde de crête en tant qu'indice de réfraction pour les différences de hauteur de 50 nm, 70 nm, 90 nm, 120 nm et 150 nm sont directement proportionnelles. Le décalage de longueur d'onde a une excellente linéarité. Les sensibilités calculées pour les différences de hauteur sont toutes approximativement égales à 1140 nm/RIU, et la résolution de détection correspondante est de 8,8 × 10 ⁻⁵ RIU. Ainsi, le capteur asymétrique basé sur le nœud papillon PIT a une sensibilité très élevée et une excellente immunité à la déviation de fabrication.

Propriétés de détection basées sur le PIT. un Spectres de transmission d'une différence de hauteur de 90 nm pour un indice de réfraction variant de 80 à 120  nm. b Dépendance de la longueur d'onde maximale sur l'indice de réfraction pour différentes différences de hauteur

Conclusions

Nous avons proposé une structure de nœud papillon asymétrique pour réaliser l'effet PIT. Les propriétés de transmission des résonateurs avec différents paramètres structurels ont été calculées numériquement en utilisant la méthode des éléments finis. Grâce au couplage fort entre les résonateurs triangulaires désaccordés, une bande de transmission transparente peut être obtenue dans la bande interdite des résonateurs simples. Avec les trois dimensions inférieures à la longueur d'onde de l'espace libre, l'appareil a une structure simple et ultra-compacte. Le dispositif présente également une excellente immunité aux écarts de fabrication, ce qui le rend facile à fabriquer sans exigences strictes. De plus, la propriété de détection basée sur le PIT a été démontrée en utilisant la structure de nœud papillon asymétrique proposée. L'appareil peut atteindre une sensibilité maximale de 1140  nm/RIU; la résolution de détection correspondante est de 8,8 × 10 ⁻⁵ RIU. La sensibilité a une excellente linéarité et cohérence pour faire varier la différence de hauteur. Ainsi, notre structure de nœud papillon asymétrique proposée fournit une nouvelle plate-forme pour les dispositifs de type EIT sur puce et les capteurs d'indice de réfraction.

Disponibilité des données et des matériaux

L'ensemble de données est disponible sans restriction.

Abréviations

EIT :

Transparence induite électromagnétiquement

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

MIM :

Métal-isolant-métal

PIT :

Transparence induite par le plasmon