Modulation optique proche infrarouge efficace via la transition interbande du graphène couplée à la résonance magnétique du méta-matériau

Résumé

La conception de modulateurs d'ondes électromagnétiques puissants est requise pour l'avancement de la technologie de communication optique. Dans ce travail, nous étudions comment moduler efficacement l'amplitude des ondes électromagnétiques dans la région proche infrarouge, par les interactions entre la transition interbande du graphène et la résonance de dipôle magnétique dans les méta-matériaux. Les spectres de réflexion des méta-matériaux pourraient être significativement réduits dans la gamme de longueur d'onde en dessous de la transition interbande, car les champs électromagnétiques améliorés de la résonance de dipôle magnétique augmentent grandement l'absorption de lumière dans le graphène. La profondeur de modulation maximale des spectres de réflexion peut atteindre environ 40 % près de la longueur d'onde de résonance du dipôle magnétique, pour que la transition interbande approche la résonance de dipôle magnétique, lorsqu'une tension externe est appliquée pour changer l'énergie de Fermi du graphène.

Contexte

Le contrôle dynamique des propriétés spectrales des ondes électromagnétiques par des stimuli externes tels que la force mécanique, le changement de tension, la tension électrique et le faisceau laser attire un intérêt croissant, en raison de nombreuses applications dans les domaines de la technologie d'affichage holographique, de la détection haute performance et des communications optiques. Au cours des dernières années, de nombreux efforts ont été faits pour manipuler activement les spectres de transmission, réflexion ou absorption des ondes électromagnétiques, basés sur la conductivité de surface électriquement accordable du graphène, dans une gamme de fréquences très large incluant les micro-ondes, les ondes térahertz (THz), l'infrarouge et le régime visible. Une telle manipulation active des ondes électromagnétiques basée sur le graphène est sous stimulus électrique externe sans reconstruction de structures connexes, qui vise à moduler efficacement l'amplitude, la phase et la polarisation des ondes électromagnétiques. Les trois types de modulateurs d'ondes électromagnétiques sont les plus importants pour le traitement du signal dans les communications optiques en espace libre. Dans le régime infrarouge lointain et THz, la conductivité de surface du graphène ne comprend que la contribution intrabande, et le graphène a une fonction diélectrique effective qui peut être décrite avec le modèle de Drude standard. Par conséquent, à basses fréquences, très similaire aux métaux nobles (par ex., Ag et Au), le graphène nanostructuré est également capable de supporter des résonances de plasmon de surface localisées ou délocalisées avec une grande amplification de champ électromagnétique, qui a été largement employée pour renforcer les interactions lumière-matière pour une modulation efficace des ondes électromagnétiques. Par exemple, en 2012, Sensale-Rodriguez et al. ont théoriquement présenté des modulateurs de réflectance avec une excellente performance à la fréquence THz, en tirant parti des effets plasmoniques dans les micro-rubans de graphène. Dans les régimes visible et proche infrarouge, la contribution interbande domine la conductivité de surface du graphène, dont la permittivité complexe a une partie réelle de valeur positive. Donc, à hautes fréquences, le graphène lui-même ne supporte plus les résonances de plasmon de surface, mais se comporte plus comme un film diélectrique ultra-mince lorsqu'il interagit avec la lumière. Dans cette situation, divers modes de résonance de haute qualité supportés dans d'autres matériaux nanostructurés sont souvent explorés pour moduler électriquement les ondes électromagnétiques, avec l'aide de l'énergie de Fermi contrôlée par grille du graphène. Par exemple, Yu et al. ont étudié en théorie la modulation d'amplitude de la lumière visible avec le graphène, en utilisant l'interférence Fabry-Perot, les modes Mie dans les nanosphères diélectriques à indice de réfraction élevé, et les résonances de réseau de surface dans un réseau périodique de nanoparticules métalliques. Au cours de la dernière décennie, la résonance magnétique dans les méta-matériaux a été étudiée de manière extensive et intensive pour réaliser des absorbeurs parfaits d'ondes électromagnétiques. Cependant, jusqu'à présent, il n'y a que quelques études sur les modulateurs optiques basés sur la résonance magnétique dans les méta-matériaux avec une monocouche de graphène insérée.

Nous proposerons une méthode efficace pour moduler les spectres de réflexion des ondes électromagnétiques dans la région proche infrarouge, en couplant la transition interbande du graphène à la résonance de dipôle magnétique dans les méta-matériaux. Il est trouvé que les spectres de réflexion des méta-matériaux peuvent être largement réduits dans la gamme de longueur d'onde en dessous de la transition interbande du graphène, car les champs électromagnétiques améliorés de la résonance de dipôle magnétique augmentent grandement l'absorption de lumière dans le graphène. La profondeur de modulation maximale de l'amplitude de réflexion peut atteindre environ 40 % près de la longueur d'onde de résonance du dipôle magnétique, pour que la transition interbande soit proche de la résonance de dipôle magnétique, lorsqu'une tension externe est appliquée pour changer l'énergie de Fermi du graphène.

Méthodes

Nous montrons schématiquement dans la Fig. 1 le bloc de construction des méta-matériaux étudiés pour une modulation de réflexion efficace dans la région proche infrarouge, à travers les interactions entre la résonance de dipôle magnétique et la transition interbande du graphène. Nous effectuons des calculs numériques par le logiciel commercial « EastFDTD ». La couche de silice a un indice de réfraction de 1,45, et les nanobandes d'argent et le substrat ont une fonction diélectrique expérimentale. Le graphène a une permittivité relative calculée par la formule standard [équations]. Les méta-matériaux étudiés pourraient être réalisés en expérience avec l'aide de la technologie de nanofabrication avancée. Premièrement, le substrat d'argent et la couche de silice sont préparés par évaporation thermique. Ensuite, la monocouche de graphène est déposée sur la surface de silice par dépôt chimique en phase vapeur. Finalement, le réseau périodique de nanobandes d'argent est fabriqué par lithographie à faisceau d'électrons.

Résultats et discussion

Nous discutons d'abord les spectres de réflexion des méta-matériaux sans graphène, comme montré par la ligne noire et les carrés dans la Fig. 2a. Un large creux de réflexion à 1210 nm est observé, qui est lié à un dipôle magnétique. Lorsque le graphène est inséré dans les méta-matériaux, la réflexion est largement réduite pour les longueurs d'onde inférieures à 1150 nm (la position de la transition interbande dans le graphène), comme montré par la ligne rouge et les cercles dans la Fig. 2a. La raison est que les champs électromagnétiques améliorés de l'excitation de résonance de dipôle magnétique augmentent énormément l'absorption de lumière du graphène. Correspondamment, la profondeur de modulation induite par le graphène des spectres de réflexion augmentera progressivement d'environ 11 à 28 %, lorsque la longueur d'onde de la lumière est augmentée de 1000 nm à la position de transition interbande, comme exhibé dans la Fig. 2b. La profondeur de modulation est généralement définie comme (R - R₀)/R₀, où R et R₀ sont les spectres de réflexion avec et sans graphène inséré dans les méta-matériaux.

Pour démontrer que le large creux de réflexion est pertinent à un dipôle magnétique, dans la Fig. 3, nous traçons les champs électromagnétiques sur le plan xoz à la longueur d'onde de 1210 nm. Les champs électriques sont principalement distribués autour des bords des nanobandes d'argent, et les champs magnétiques sont largement localisés dans la région de silice sous les nanobandes d'argent. La distribution de champ est la propriété typique d'une résonance de dipôle magnétique. Entre le substrat d'argent et la nanobande individuelle, l'hybridation de champ proche plasmonique produit des courants anti-parallèles, comme indiqué par deux flèches noires dans la Fig. 3b. Les courants anti-parallèles peuvent induire un moment magnétique M contrecarrant le champ magnétique incident pour former la résonance de dipôle magnétique. La longueur d'onde de résonance dépend fortement de la largeur w des nanobandes d'argent, qui aura un décalage vers le rouge évident lorsque w est augmenté.

La position de la transition interbande peut être commodément accordée lorsqu'une tension externe est appliquée pour changer l'énergie de Fermi E_f. L'accordabilité de position de la transition interbande est très utile pour contrôler efficacement les spectres de réflexion. Pour E_f augmenter de 0,46 à 0,58 eV, la transition interbande se décale rapidement vers le bleu, comme exhibé par les cercles ouverts dans la Fig. 4a. Simultanément, la réflexion est réduite notablement dans la gamme de longueur d'onde en dessous de la transition interbande. Près de la longueur d'onde de résonance du dipôle magnétique, la réflexion est réduite à un minimum d'environ 0,55, lorsque la transition interbande est accordée progressivement pour traverser le dipôle magnétique à large bande. La Fig. 4b montre l'effet de modulation de réflexion induit par le graphène pour différents E_f. Avec la diminution de E_f, la profondeur de modulation des spectres de réflexion devient plus grande et a un maximum d'environ 40 % lorsque E_f = 0,46 eV. De plus, la gamme de longueur d'onde accordable devient aussi beaucoup plus large, en raison du décalage vers le rouge continu de la transition interbande lorsque E_f est diminué. Cependant, dans la gamme de longueur d'onde au-dessus de la transition interbande, les spectres de réflexion ne sont pas modulés par rapport au cas sans graphène, et donc, la profondeur de modulation est presque nulle.

La transition interbande est étroitement liée à l'énergie de Fermi E_f, qui peut être pleinement manifestée comme une caractéristique spectrale nette dans la permittivité ε_g du graphène. Dans la Fig. 5, nous donnons les parties réelle et imaginaire de ε_g pour différents E_f. Pour chaque E_f, il existe un pic étroit dans la partie réelle de ε_g, et correspondantement une chute abrupte apparaît dans la partie imaginaire de ε_g. Avec la diminution de E_f, une telle caractéristique spectrale nette se décale vers le rouge de manière évidente. Dans la gamme de longueur d'onde du côté droit de la chute abrupte, la partie imaginaire de ε_g est très petite. C'est pourquoi les spectres de réflexion ne sont pas modulés pour les longueurs d'onde au-dessus de la transition interbande. La dépendance de position de la transition interbande sur l'énergie de Fermi E_f est montrée dans la Fig. 6. Nous pouvons clairement voir que les positions de pic de la partie réelle de ε_g sont en excellent accord avec celles indiquées par les cercles ouverts dans la Fig. 4a.

Conclusion

Nous avons numériquement démontré une méthode pour moduler efficacement les spectres de réflexion des ondes électromagnétiques dans la région proche infrarouge, en couplant la transition interbande du graphène à la résonance de dipôle magnétique dans les méta-matériaux. Il est trouvé que les spectres de réflexion peuvent être largement réduits dans la gamme de longueur d'onde en dessous de la transition interbande du graphène, car les champs électromagnétiques améliorés de la résonance de dipôle magnétique augmentent grandement l'absorption de lumière dans le graphène. La profondeur de modulation maximale des spectres de réflexion peut atteindre environ 40 % près de la longueur d'onde de résonance du dipôle magnétique, pour que la transition interbande soit proche de la résonance de dipôle magnétique, lorsqu'une tension externe est appliquée pour changer l'énergie de Fermi du graphène. L'effet de modulation de réflexion présenté dans ce travail peut trouver des applications potentielles dans les systèmes de communication optique.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données sont pleinement disponibles sans restriction.