Absorbeur parfait cohérent bi-bande, insensible à la polarisation, accordable par guide d'ondes hybride graphène double-couche

Résumé

L'absorption intrinsèque de 2,3 % du graphène dans le visible et l'infrarouge limite son impact optoélectronique. Nous présentons un absorbeur parfait cohérent (CPA) bi-bande, insensible à la polarisation, accordable, opérant dans l'infrarouge moyen, construit autour d'un guide d'ondes graphène double-couche couplé à des nanostructures de silicium. Les simulations par différences finies dans le domaine temporel (FDTD) révèlent des pics d'absorption parfaits à 9611 nm et 9924 nm. La symétrie centrale de la structure garantit l'indépendance à la polarisation, tandis que l'absorption cohérente peut être modulée tout-opticalement en ajustant la phase relative de deux faisceaux contrapropagatifs. De plus, l'accordage indépendant des énergies de Fermi des deux couches de graphène déplace les pics d'absorption sur une large gamme spectrale, permettant la conversion entre fonctionnement bi-bande et bande étroite. Ces résultats pointent vers des dispositifs photoniques polyvalents, compatibles CMOS, dans le moyen IR tels que commutateurs, portes logiques et photodétecteurs cohérents.

Introduction

L'interaction lumière-matière efficace dans les matériaux atomiquement minces est cruciale pour la photonique de prochaine génération. Alors que les dichalcogénures de métaux de transition, le nitrure de bore hexagonal et le phosphore noir ont montré de fortes réponses excitoniques, le graphène reste une plateforme unique grâce à sa conductivité optique à large bande et sa haute mobilité des porteurs. Sa forme monocouche n'absorbe que ~2,3 % de la lumière incidente, mais l'excitation de polaritons de plasmons de surface (SPP) dans le térahertz et l'infrarouge moyen peut améliorer dramatiquement le confinement et l'absorption. Les absorbeurs, modulateurs et capteurs à base de graphène ont donc attiré un intense intérêt de recherche.

L'absorption parfaite cohérente (CPA) offre une voie pour éliminer la perte d'absorption en exploitant l'interférence entre ondes contrapropagatives. Dans le graphène, le CPA a été démontré dans des dalles de silicium et des métamatériaux planaires, mais le fonctionnement bi-bande dans l'infrarouge moyen est resté largement inexploré. Ici, nous concevons un CPA à symétrie conçue qui atteint une absorption parfaite simultanée à deux longueurs d'onde distinctes, avec un contrôle total sur la polarisation, la phase et la position spectrale.

Méthodes

Le dispositif comprend deux monocouches de graphène continues sur un substrat de silice, séparées par un espaceur de silice de 75 nm (Figure 1). Un réseau carré de silicium périodique de 160 nm (longueur de côté 80 nm, hauteur 100 nm) repose sur le graphène supérieur. Le graphène inférieur repose à 150 nm sous le substrat. Deux ondes planes cohérentes (I1 et I2) incindent de côtés opposés ; leur amplitude relative (α) et phase (φ) sont définies par I2=αI1 exp(iφ+ikz). La conductivité du graphène suit l'approximation de phase aléatoire locale : [équation], où T=300 K, E_f est l'énergie de Fermi, et τ=μE_f/eν_f² avec μ=10 000 cm² V⁻¹ s⁻¹ et ν_f=1,1×10⁶ m s⁻¹. Les couches supérieure et inférieure sont réglées à E_f1=0,66 eV et E_f2=0,31 eV, respectivement.

Nous employons la FDTD 3D avec conditions aux limites périodiques dans les directions latérales et couches parfaitement adaptées le long de l'axe de propagation. Un maillage non uniforme (0,1 nm au graphène) assure la précision numérique tout en maintenant une charge computationnelle raisonnable.

Résultats et Discussion

Avec un seul faisceau incident, le dispositif présente des pics d'absorption bi-bande en dessous de la limite théorique de 50 % (A_max=0,5), confirmant que le graphène seul ne peut atteindre l'absorption parfaite. Lorsque deux faisceaux contrapropagatifs interfèrent, le formalisme de matrice de diffusion donne l'absorption cohérente [équation]. En posant α=1 et φ=0, on obtient une absorption parfaite (A_co=1) à λ₁=9611 nm et λ₂=9924 nm (Figure 3). La symétrie centrale du dispositif le rend insensible à la polarisation ; les illuminations p- et s-polarisées produisent des spectres identiques.

L'accordage de phase offre une modulation tout-optique : faire varier φ de 0 à π supprime les pics d'absorption près de zéro, délivrant des contrastes de modulation supérieurs à 34 dB (Figure 5). L'ajustement indépendant des niveaux de Fermi de chaque couche de graphène déplace les positions de résonance : diminuer E_f2 décale λ₁ vers le rouge tout en supprimant λ₂ ; augmenter E_f2 a l'effet inverse, permettant la conversion entre fonctionnement bi-bande et bande étroite. De même, l'accordage de E_f1 déplace les deux pics uniformément sur une large gamme spectrale (Figure 6).

Les études de paramètres structurels révèlent qu'augmenter la largeur w du carré de silicium décale les résonances vers le rouge et améliore d'abord l'absorption jusqu'à saturation du facteur de remplissage, après quoi l'efficacité chute. Augmenter la période p décale aussi les pics vers le rouge. L'épaisseur d'espaceur d₁ contrôle le couplage inter-couches ; au-delà d'une valeur critique, le comportement bi-bande s'effondre en un pic unique. Remplacer le silicium par des diélectriques à indice plus élevé (TiO₂, GaSb) décale les résonances vers le rouge mais réduit l'absorption maximale (Figure 7).

Conclusion

Nous avons conçu un CPA bi-bande accordable dans l'infrarouge moyen, compatible CMOS, à la fois insensible à la polarisation et contrôlable tout-opticalement. Le guide d'ondes hybride graphène double-couche, couplé à une nanostructure de silicium, atteint l'absorption parfaite à 9611 nm et 9924 nm, avec modulation phase-dépendante et large accordabilité spectrale via le contrôle du niveau de Fermi. Les couches de graphène continues préservent la haute mobilité et simplifient la fabrication comparé aux structures structurées. Cette plateforme ouvre la voie à des dispositifs photoniques moyen-IR tels que commutateurs, portes logiques et détecteurs cohérents.