Transparence induite par plasmon via résonateurs en nœud papillon asymétriques pour communications optiques sur puce

Résumé

La transparence induite par plasmon est un moyen efficace d'imiter la transparence induite électromagnétiquement, qui peut éliminer l'effet opaque du milieu sur l'onde électromagnétique propagative. Nous proposons une structure en nœud papillon asymétrique couplée côté ouverture pour réaliser la transparence induite par plasmon (PIT) sur puce dans la bande de communications optiques. La PIT résulte du fort couplage entre les résonateurs triangulaires en nœud papillon désaccordés. Chacun des résonateurs fonctionne comme une cavité de Fabry-Perot aux dimensions compactes. La longueur d'onde du pic transparent peut être facilement contrôlée en raison de sa forte relation linéaire avec la hauteur du résonateur. Le rapport de la vallée d'absorption au pic transparent peut être supérieur à 10 dB. De plus, avec une excellente linéarité du décalage de longueur d'onde par rapport à l'indice du milieu de détection, le dispositif offre d'excellentes performances de détection et une immunité aux écarts de structure.

Contexte

L'effet de transparence induite électromagnétiquement (EIT), qui résulte de l'interférence quantique destructive entre deux voies dans les systèmes atomiques à trois niveaux [1, 2], montre un potentiel d'applications tremendous dans la propagation de lumière lente [3, 4], l'optique non linéaire [5] et le stockage optique [6]. Dans un système EIT, l'effet d'interférence quantique réduit l'absorption de lumière sur une région spectrale étroite, faisant apparaître une résonance aiguë de transmission quasi-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, divers types de configurations ont été proposés pour imiter la transmission de type EIT sans la demande de conditions expérimentales rigoureuses, y compris les micro-résonateurs couplés [8,9,10,11,12], les anneaux fendus, et les métamatériaux [13,14,15,16] composés de matériaux diélectriques et métalliques. Parmi eux, l'EIT basé sur métamatériaux avec des motifs d'unité périodiques nécessite un signal lumineux excité incident dans une direction non parallèle à la surface de la puce. Avec le signal lumineux excité incident dans une direction parallèle à la surface de la puce, les micro-résonateurs couplés sont remarquables pour répondre à l'exigence d'applications d'intégration sur puce de transmission de type EIT. Pour réduire davantage l'emprise des dispositifs EIT, la transparence induite par plasmon (PIT) a été proposée comme un analogue de l'EIT classique avec un fort confinement optique au-delà de la limite de diffraction pour les ondes électromagnétiques [17,18,19]. Les plasmons de surface sont des oscillations optiquement induites 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 proche des guides d'ondes adjacents sont un guide d'ondes nanoscopique très prometteur capable de surmonter la limite de diffraction et ayant diverses applications de capteurs plasmoniques [22], coupleurs [23] et filtres [24]. Ainsi, la transmission PIT basée sur MIM a un énorme potentiel dans les applications sur puce de communications optiques, traitement de l'information optique et optique non linéaire.

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

Méthodes

Le schéma de la structure en nœud papillon asymétrique est représenté en Fig. 1, où le matériau de fond en bleu est l'argent, dont la permittivité est décrite par le modèle de Drude \( {\varepsilon}_r={\varepsilon}_{\infty }-{\omega}_p^2/\left({\omega}^2+ j\gamma \omega \right) \), avec ε_∞=3,7, ω_p=9,1 eV et γ=0,018 eV. Les paramètres adoptés ici dans l'équation ci-dessus s'ajustent 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 bus pour la transmission de la lumière. De chaque côté du bus, les guides d'ondes sont les résonateurs en nœud papillon. Les résonateurs en nœud papillon sont asymétriques avec des paramètres structuraux désaccordés comme l'altitude et l'angle notés H_u, H_d, θ₁ et θ₂. Les vortex des triangles dans le nœud papillon sont au milieu du guide d'ondes bus. Ainsi, les résonateurs en nœud papillon ont de petites connexions au guide d'ondes bus permettant un couplage efficace entre eux. La largeur des guides d'ondes bus est fixée à 100 nm et la longueur du guide d'ondes bus n'a pas d'effet sur le spectre de transmission PIT sauf pour la perte de transmission. Donc, sa longueur est fixée à 1 µm en considérant la compacité et l'intégration. Deux réseaux à chaque extrémité du guide d'ondes bus servent à injecter une source lumineuse à large bande ou à balayage de longueur d'onde et à collecter le spectre de transmission. Le spectre de transmission a été calculé numériquement en utilisant la méthode des éléments finis avec des conditions de bord de diffusion. Dans la simulation numérique, une onde plane a été injectée depuis le réseau de gauche du guide d'ondes bus par un port pour exciter les modes TM fondamentaux des SP. La lumière transmise a été collectée depuis le réseau de droite du guide d'ondes bus qui est défini comme T = P_out/P_in, où P_in = ∫ PoavzdS₁ et P_out = ∫ PoavzdS₂ ; Poavz est la composante z du flux de puissance moyen en temps. Les spectres de transmission de la structure sont obtenus en balayant paramétriquement la longueur d'onde d'entrée. Cette structure en nœud papillon asymétrique pourrait être fabriquée par les étapes suivantes : d'abord, déposer un film d'Ag d'une épaisseur de 500 nm sur un substrat silice/silicium ; puis, déposer un film de silice d'une épaisseur de 500 nm ; enfin, fabriquer le motif requis incluant les réseaux par lithographie par faisceau d'électrons (EBL) et gravure. Le schéma de couplage par ouverture proposé a potentiellement des exigences de fabrication moins strictes que les dispositifs basés sur le couplage évanescent et peut être utilisé pour obtenir un couplage efficace dans d'autres structures plasmoniques MIM importantes.

Résultats et discussion

Contrairement aux résonateurs rectangulaires normaux, les résonateurs triangulaires dans le nœud papillon sont déterminés non seulement par la longueur du côté, mais aussi par les angles. Donc, nous étudions d'abord l'impact de l'angle connecté au guide d'ondes bus sur la transmission et les propriétés résonantes de la structure proposée avec un seul résonateur triangulaire. Les spectres de transmission du résonateur triangulaire unique sont montrés en 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 bus permettant au énergie électromagnétique de se coupler latéralement du guide d'ondes bus dans le résonateur triangulaire. Ainsi, de profondes vallées de transmission apparaissent sur les spectres en Fig. 2. Leur quantité, bande passante et longueurs d'onde de vallée sont déterminées par les paramètres structuraux du résonateur. Pour l'angle de 20°, il y a deux profondes vallées de transmission sur le spectre. La vallée résonnante à la longueur d'onde plus longue est d'ordre 0 en direction longitudinale et d'ordre 0 en direction horizontale, respectivement. Avec la diminution de la longueur d'onde, la hauteur du résonateur permet un nœud d'onde stationnaire de plus, qui est d'ordre 1 en direction longitudinale. La situation pour l'angle de 40° est similaire à celle de 20°. À mesure que l'angle augmente, une vallée résonnante de plus émerge dans le spectre. L'angle plus grand fait que la distribution modale se divise en direction horizontale formant un mode d'ordre supérieur d'ordre 1 en direction horizontale. Pour un angle plus grand de 80°, le mode L: ordre 0 se divise en direction horizontale formant le mode L: 1; H: 1. Ainsi, l'augmentation de l'angle résulte à la fois en un décalage de longueur d'onde et en une division de la distribution modale en direction horizontale formant des modes d'ordre supérieur. Le décalage de longueur d'onde n'a pas de relations directes avec l'angle, car la variation de l'angle modifie également la longueur du côté. Donc, pour maintenir des propriétés résonnantes stables, de petits angles sont préférés.

La hauteur du résonateur est le paramètre clé des propriétés résonnantes. Les spectres de transmission du dispositif avec un résonateur triangulaire unique pour une hauteur de résonateur variant de 0,8 à 1,1 µm sont montrés en Fig. 3a. Un angle de cavité de 40° a été sélectionné pendant la simulation. Dans la gamme de longueur d'onde de 1,2 à 1,8 µm, chacun des spectres a un seul creux, signifiant la vallée résonnante. Toutes les transmissivités de vallée sont autour de 0,1. Comme la distribution électromagnétique de H_z aux longueurs d'onde résonnantes et non résonnantes le montre dans les encarts de Fig. 3a, la majorité de l'énergie électromagnétique se couple dans le résonateur triangulaire à la longueur d'onde résonnante, tandis que la plupart des autres longueurs d'onde de la lumière large bande injectée sont transmises à travers le guide d'ondes bus. Avec l'augmentation incrémentale de la hauteur, la longueur d'onde de vallée présente un comportement de décalage vers le rouge. Comme montré en Fig. 3b, le décalage de longueur d'onde est proportionnel à la hauteur avec une excellente linéarité. Le décalage de la longueur d'onde résonnante peut être expliqué via la condition d'onde stationnaire Nλ_N = 2n_gL, N = (1, 2, 3…). Pour un N spécifique, la plus grande hauteur du résonateur triangulaire cause le décalage vers le rouge de la longueur d'onde résonnante, tandis que la hauteur plus courte cause le décalage vers le bleu de la longueur d'onde résonnante. Pour différents angles, la relation entre la longueur d'onde résonnante et la hauteur reste similaire, ce qui rend la fabrication faisable sans exigences strictes.

Afin de réaliser la transmission PIT, un fort couplage entre deux résonateurs avec une longueur de cavité légèrement désaccordée est requis. La structure en nœud papillon asymétrique proposée composée de résonateurs triangulaires avec des hauteurs légèrement désaccordées permet un fort couplage entre les résonateurs. En ajustant finement les hauteurs des deux résonateurs triangulaires, un pic de transmission transparent apparaîtra dans la bande interdite du résonateur unique. Comme montré en Fig. 4a, l'angle de 20° a été sélectionné pour maintenir seulement une vallée dans la gamme de longueur d'onde et les hauteurs ont été finement sélectionnées pour faire localiser la bande de transmission PIT autour de 1,55 µm pour les applications en communications optiques. Le spectre de transmission du résonateur unique avec une hauteur de 0,93 µm est représenté par la ligne pointillée rouge. Sa vallée se situe à 1,47 µm. Pour introduire une différence structurale avec une différence de vallée, le résonateur unique avec une hauteur de 1,02 µm est employé pour pailler 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 noire continue. Le pic transparent se situe au centre entre les deux vallées profondes, qui était une bande interdite pour les résonateurs uniques. Comme le montrent les encarts, à la première vallée, la majeure partie de l'énergie électromagnétique se couple dans le résonateur sous le guide d'ondes bus plutôt que dans le résonateur supérieur. À la deuxième vallée, la majeure partie de l'énergie électromagnétique se couple dans le résonateur supérieur à la place. Ce sont très similaires à ceux des résonateurs uniques. Au pic transparent, environ 75 % de l'énergie électromagnétique transmet à travers le guide d'ondes bus, et seulement une petite partie de l'énergie se couple dans les résonateurs en nœud papillon asymétriques, formant une bande transparente pour l'énergie électromagnétique propagative. Il est à noter que la PIT peut aussi être obtenue dans une structure en nœud papillon asymétrique avec différents angles. Cependant, la longueur d'onde de vallée avec la longueur d'onde de pic ne varie pas monotoniquestement avec l'angle, menant à un contrôle très difficile du pic transparent. De plus, comme mentionné dans la section ci-dessus, le résonateur avec des angles plus grands donne lieu à une résonance multi-mode, ce qui est préjudiciable au contrôle de l'effet PIT. Donc, seule la PIT induite par différence de hauteur est élaborée dans cet article. L'effet PIT dans la structure en nœud papillon asymétrique proposée est sensible à la hauteur. Pour maintenir le pic transparent à la longueur d'onde de communications optiques, plusieurs ensembles de valeurs de hauteur de résonateur 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 montré en Fig. 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 du pic transparent à la vallée d'absorption peut être supérieur à 10 dB. La largeur et la transmissivité ont toutes deux une relation positive avec la différence de hauteur. En Fig. 4c, la 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 en Fig. 3b. En raison de l'existence de la dissipation métallique, la transmission totalement transparente de l'effet PIT est impraticable. La transmissivité de pic augmente d'abord rapidement avec l'augmentation de la différence de hauteur, puis tend à se stabiliser au-dessus de 0,8.

Comme élaboré dans les sections ci-dessus, la vallée et le pic transparent sont déterminés par les paramètres structuraux et le matériau du milieu à l'intérieur du résonateur et du guide d'ondes bus. Donc, la détection basée sur PIT dans la structure en nœud papillon asymétrique proposée est faisable. Précédemment, le guide d'ondes bus et les résonateurs sont remplis d'air, ce qui signifie vide et peut être employé comme conteneur pour liquide. Dans la simulation, le guide d'ondes 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, acétone, alcool méthylique, alcool éthylique, alcool propylique, solution de glucose, etc. [26]. Comme montré en Fig. 5a, le pic transparent se comporte en décalage vers le rouge avec l'augmentation de l'indice de réfraction du liquide. Chaque pic peut être évidemment distingué et la transmissivité de pic reste presque stable. En Fig. 5b, les fonctions de la longueur d'onde de pic en fonction de l'indice de réfraction pour des 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 8,8 × 10⁻⁵ RIU. Donc, le capteur basé sur PIT à nœud papillon asymétrique a une très haute sensibilité et une excellente immunité aux écarts de fabrication.

Conclusions

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