Filtres de couleur de métasurface utilisant des configurations d'aluminium et de niobate de lithium

Introduction

Récemment, les progrès de la recherche sur les métamatériaux ont progressé vers la réalisation de métasurfaces accordables qui permettent un contrôle en temps réel de leurs propriétés géométriques et optiques, créant ainsi des opportunités exceptionnelles dans le domaine des métamatériaux activement accordables. Il a été rapporté qu'ils couvrent le visible [1,2,3,4,5,6], l'infrarouge (IR) [7,8,9,10,11,12] et le térahertz (THz) [12,13, 14,15,16,17,18,19,20,21] gammes spectrales. Comme les propriétés optiques uniques des métasurfaces reposent sur l'interaction entre la lumière incidente et la nanostructure, les propriétés souhaitables peuvent être obtenues en adaptant correctement la forme, la taille et la composition de la structure. Les métasurfaces ont permis la manipulation d'entités en champ proche, permettant ainsi la reconfiguration de caractéristiques intrigantes telles que la réponse magnétique [1, 22], l'absorption presque parfaite [14, 15, 23], la transparence [17, 19], l'ingénierie de phase [18, 20, 21, 24], la détection MIR et l'imagerie thermique [10], la modulation de résonance [9] pour de nombreux types de filtres [1,2,3,4,5] et les capteurs [6,7,8, 12,13,14 ] applications.

À ce jour, il existe de nombreux mécanismes de réglage actifs signalés pour améliorer la flexibilité de la métasurface. La plupart des conceptions sont dans les gammes spectrales IR [10,11,12, 25,26,27] et THz [28,29,30,31]. Bien qu'il y ait eu diverses approches rapportées pour les métasurfaces activement accordables dans la gamme spectrale visible, telles que l'étirement mécanique [32], la force électrostatique [33], la résonance de Mie [34], les cristaux liquides [35], le matériau à changement de phase [36,37 ,38] et le matériel électro-optique [39,40] Cependant, le nombre d'études sur les métasurfaces activement accordables dans le domaine spectral visible est limité. Parmi les mécanismes de réglage des méthodes électro-optiques, la métasurface accordable à base de graphène a récemment attiré une attention massive aux chercheurs [41,42,43]. En outre, le niobate de lithium (LN) est l'un des matériaux les plus importants, qui est considéré comme le « silicium de la photonique ». Les approches de la métasurface sur LN ont attiré beaucoup d'attention en raison de sa large fenêtre de transparence, de son grand coefficient électro-optique de second ordre jusqu'à 30 pm/V et de sa grande compatibilité avec les circuits photoniques intégrés [44]. En raison de sa grande susceptibilité non linéaire de second ordre, l'indice de réfraction de LN peut être ajusté linéairement en lui appliquant un champ électrique [44]. L'incorporation de LN dans la conception de la métasurface ouvre des possibilités pour des filtres de couleur ultrasensibles avec une accordabilité active électro-optique. Les méthodes de réglage actif mentionnées ci-dessus dépendent fortement des propriétés non linéaires du matériau naturel. Ils manquent souvent de caractéristiques souhaitables, telles qu'une large plage de réglage et des performances uniformes sur toute la plage de réglage ou nécessitant une tension de commande élevée, ce qui limite considérablement leurs applications. Parmi ces méthodes, les métamatériaux activement accordables utilisant la technologie des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) sont largement étudiés car les caractéristiques géométriques du métamatériau peuvent être directement modifiées [26, 29]. Les métamatériaux accordables basés sur les MEMS utilisent souvent une cavité Fabry-Perot (F-P), puis modifient l'écart entre deux couches structurelles pour ajuster la résonance [37, 45]. Ces structures peuvent produire une bande passante d'absorption ou de transmission étroite avec une large plage de réglage, ce qui les rend souhaitables pour les applications de nouvelle génération.

Dans cette étude, deux conceptions de filtres de couleur de métasurface (MCF) sont présentées. Il s'agit d'une métasurface accordable à base d'Al (TAM) et d'une métasurface accordable à base de LN (TLNM) en utilisant les simulations basées sur le domaine temporel aux différences finies (FDTD) de Lumerical Solution pour étudier leurs caractéristiques optiques dans la gamme spectrale visible. La direction de propagation de la lumière incidente est définie pour être perpendiculaire au x –y plan dans les simulations numériques. L'angle de polarisation de la lumière incidente est défini sur 0 et cela signifie que le vecteur électrique oscille le long du x -direction de l'axe comme polarisation TM. Des conditions aux limites périodiques sont également adoptées dans le x et y directions, et des conditions aux limites de couche parfaitement appariées (PML) sont supposées dans les deux z directions. L'intensité de la réflexion est calculée par un moniteur placé au-dessus de l'appareil. Les dispositifs proposés présentent des accordabilités actives et de grandes plages d'accord. Le TAM et le TLNM présentent des absorptions à bande ultra-étroite presque parfaites couvrant toute la gamme spectrale visible. Pour l'application de détection environnementale, le TAM présente une sensibilité élevée tandis que le TLNM présente un FOM élevé. Ces conceptions peuvent être potentiellement utilisées dans un affichage haute résolution, un capteur d'indice de réfraction et un dispositif adaptatif dans la plage spectrale visible.

Conceptions et méthodes

La figure 1a montre les dessins schématiques des TAM et TLNM proposés. Ils sont composés de métasurfaces rectangulaires suspendues en Al et LN elliptiques sur un substrat de Si recouvert d'une couche de miroir en Al. L'écart entre la couche miroir inférieure en Al et la métasurface supérieure peut être réglé en utilisant la technologie MEMS pour former une cavité F-P entre ces deux couches. Les dimensions géométriques correspondantes sont la longueur du trou rectangulaire dans la métasurface Al et deux axes du trou elliptique dans la métasurface LN le long de x -direction (D _x ) et y -direction (D _y ), les périodes le long de x -direction (P _x ) et y -direction (P _y ), l'épaisseur de la métasurface (t ), et l'écart entre la métasurface et la couche miroir inférieure (g ). Ici, nous définissons les rapports de périodes et les longueurs de la métasurface rectangulaire Al et de la métasurface elliptique LN le long de x -direction et y -direction comme K _x =P _x /D _x et K _y =P _y / D _y , respectivement, pour déterminer les réponses électromagnétiques efficaces dans toute la gamme spectrale visible.

un Dessins schématiques de TAM et TLNM. b –d Les spectres de réflexion de TAM avec différents (b ) D _x , (c ) K _x , et (d ) K _y valeurs

La figure 1b–d montre les spectres de réflexion de TAM en changeant D _x , K _x , et K _y valeurs, respectivement. Dans la figure 1b, les paramètres sont maintenus aussi constants que D _y =200 nm, g =450 nm, et K _x =K _y =1,2. Les spectres d'absorption presque parfaits sont maintenus en changeant D _x valeurs de 110 nm à 200 nm. La résonance est à la longueur d'onde de 535 nm. La figure 1c montre les spectres de réflexion de TAM avec différents K _x valeurs. Les autres paramètres sont maintenus aussi constants que D _x =D _y =200 nm, g =450 nm et K _y =1,2. Les résonances sont presque maintenues constantes dans la gamme de longueurs d'onde de 530 nm à 540 nm. La figure 1d montre les spectres de réflexion de TAM avec différents K _y valeurs. Les autres paramètres sont maintenus aussi constants que D _x =D _y =200 nm, g =450 nm et K _x =1,2. En changeant K _y des valeurs de 1,1 à 1,5, les résonances sont décalées vers le bleu avec une plage de longueur d'onde variable de moins de 60 nm. Ces résultats indiquent que les impacts de D _x , K _x , et K _y les valeurs sur la longueur d'onde de résonance du TAM sont assez mineures, ce qui signifie que le TAM proposé possède une tolérance élevée de déviation de fabrication pour les variations de D _x , K _x , et K _y valeurs. Dans les discussions suivantes, K _x et K _y sont maintenus aussi constants que 1.2 et D _x est défini comme égal à D _y pour étudier l'accordabilité active des dispositifs TAM et TLNM proposés.

Résultats et discussions

Pour augmenter la flexibilité et l'applicabilité du dispositif proposé, la métasurface est conçue pour être suspendue de manière à laisser un espace entre elle-même et la couche de miroir inférieure pour former un résonateur FP et en conséquence, la lumière incidente sera piégée dans ce espace puis absorbé par l'appareil. Concernant le D _y et g les valeurs sont les principaux facteurs contribuant au décalage de la longueur d'onde de résonance, l'absorption presque parfaite du TAM peut être réglée dans toute la gamme spectrale visible en associant D _y et les valeurs de g comme indiqué sur la figure 2a. Quatre paires de D _y et g les valeurs sont choisies pour étudier l'accordabilité de TAM. Ils sont (D _y , g ) =(160 nm, 355 nm), (200 nm, 450 nm), (240 nm, 540 nm), (280 nm, 645 nm), respectivement. En composant de D _y et g valeurs, l'absorption parfaite peut être réalisée à différentes longueurs d'onde de 433,9 nm, 533,5 nm, 629,8 nm et 740,9 nm. Les images couleur insérées de la figure 2a sont les couleurs visibles correspondantes des spectres de réflexion aux yeux humains calculés en utilisant les fonctions de correspondance CIE RVB pour imiter les couleurs réelles sur les surfaces de l'appareil. La relation des résonances et D _y les valeurs sont résumées et tracées sur la figure 2b. Les résonances sont décalées vers le rouge et couvrent toute la gamme spectrale visible en augmentant D _y valeurs de 150 nm à 290 nm. Le coefficient de correction correspondant est de 0,99401. Il montre une grande adaptabilité pour le dispositif TAM proposé. La fréquence de résonance d'un résonateur F-P peut être déterminée par [46]

un Spectres de réflexion de TAM avec différents D _y et g valeurs. b La relation des résonances et D _y valeurs

où q est l'indice de mode, g est la longueur de la cavité F-P, et c =c ₀ /n , où c ₀ est la vitesse de la lumière dans le vide et n est l'indice de réfraction du milieu. Cela indique que la fréquence de résonance peut être réglée en déplaçant la métasurface suspendue verticalement dans cette conception proposée, c'est-à-dire en changeant le g valeur.

La figure 3 montre les spectres de réflexion de TAM avec différents g valeurs dans les conditions de D _y =200 nm (Fig. 3a) et D _y =250 nm (Fig. 3b), respectivement. Sur la figure 3a, les résonances sont décalées vers le rouge de la longueur d'onde de 490 nm à 590 nm en changeant g valeurs de 410 nm à 510 nm. La plage de réglage est de 100 nm. La pleine largeur la plus étroite à mi-hauteur (FWHM) de résonance est de 29,9 nm pour g =470 nm. Sur la figure 3b, les résonances sont décalées vers le rouge de la longueur d'onde de 580 nm à 691 nm en changeant g valeurs de 490 nm à 610 nm. La plage de réglage est de 111 nm. La résonance FWHM la plus étroite est de 31,8 nm pour g =530 nm. La plage de réglage est 2 fois par rapport à celle rapportée dans la référence [39] et meilleure que celles rapportées dans les références précédemment [37, 38, 40]. La figure 3c, d montre les relations correspondantes des résonances et g valeurs des Fig. 3a, b, respectivement. Les résonances sont décalées vers le rouge linéairement de 9,2 nm par incrément de 10 nm de g valeur comme indiqué sur la figure 3c, et de 9,0 nm par incrément de 10 nm de g valeur comme indiqué dans la Fig. 3d. Les plages de réglage sont respectivement de 90,5 nm et 110,7 nm. Tous les spectres de réflexion sont des absorptions presque parfaites. Les coefficients de correction correspondants sont respectivement de 0,99950 et 0,99969. Ces conceptions de TAM proposées peuvent servir de filtre de couleur ultrasensible ou être utilisées dans diverses applications de détection.

Spectres de réflexion de TAM avec différents g valeurs dans les conditions de a D _y =200 nm, b D _y =250 nm. c, d Les relations de résonances et g valeurs de a et b , respectivement

Pour améliorer les performances du TAM en termes de FWHM et de plage de longueurs d'onde d'accord tout en conservant une absorption presque parfaite, le TLNM est proposé et présenté comme le montre la figure 1a. C'est parce que la structuration des nanostructures souffre toujours de l'effet de coin et de la déviation de fabrication que le motif géométrique est conçu comme un trou elliptique. Les paramètres de D _x et D _y représentent les longueurs du macro-axe et du petit axe le long de x- et y -directions, respectivement, tandis que K _x et K _y les paramètres sont maintenus aussi constants que 1.2 et D _x la valeur est de 110 nm. La figure 4a montre les spectres de réflexion de TLNM avec quatre combinaisons de D _y et g valeurs. t la valeur est maintenue aussi constante que 200 nm. Le TLNM présente la caractéristique d'une absorption parfaite avec une bande passante ultra-étroite couvrant toute la gamme spectrale visible. Les valeurs FWHM des spectres de réflexion sont de 3 nm. Une telle FWHM ultra-étroite est due à la résonance F-P, qui peut être déterminée par

un Spectres de réflexion de TLNM avec différents D _y et g valeurs. b La relation des résonances et D _y valeurs

où λ _q est la longueur d'onde de résonance, l'indice q est l'indice de mode, g est la longueur de la cavité F-P, et R est la réflectance des surfaces du résonateur F-P entre la métasurface inférieure Al et la métasurface Al/LN supérieure. La valeur FWHM pourrait être réduite en raison de l'intensité de réflexion plus élevée du TLNM, ce qui signifie que les performances optiques peuvent être considérablement améliorées en utilisant le matériau LN. La relation des résonances et D _y les valeurs de la figure 4a sont résumées comme indiqué sur la figure 4b. Les résonances sont décalées vers le rouge de manière linéaire allant de 427 nm à 673 nm en augmentant D _y valeurs de 250 nm à 500 nm, et le coefficient de correction correspondant est de 0,97815. Par conséquent, il démontre une accordabilité linéaire du dispositif proposé.

La métasurface elliptique suspendue LN est mobile, qui peut être directement modifiée pour obtenir une accordabilité optique en utilisant la technologie MEMS. La figure 5a, b montre les spectres de réflexion de TLNM avec différents g valeurs sous deux conditions de D _y =350 nm, t =210 nm, et D _y =450 nm, t =280 nm, respectivement. Sur la figure 5a, en augmentant g valeurs de 390 nm à 570 nm, les résonances sont décalées vers le rouge de 465,9 nm à 553,5 nm. Sur la figure 5b, en augmentant g valeurs de 540 nm à 780 nm, les résonances sont décalées vers le rouge de 613,6 nm à 731,2 nm. La figure 5c, d montre les relations de résonances correspondantes, g valeurs, et les valeurs FWHM correspondantes des Fig. 5a, b, respectivement. Les résonances sont décalées vers le rouge de manière assez linéaire. Les coefficients de correction correspondants sont respectivement de 0,99864 et 0,99950 pour deux cas. Pour le cas de D _y =350 nm, t =210 nm, la plage de réglage est de 87,6 nm et la valeur moyenne FWHM est de 3 nm, comme illustré sur la figure 5c. Alors que pour le cas de D _y =450 nm, t =280 nm, la plage de réglage est de 117,6 nm et la valeur moyenne FWHM est de 4 nm, comme illustré sur la figure 5d. On peut voir que la valeur FWHM la plus étroite est de 1,5 nm à la longueur d'onde de 466 nm comme indiqué sur la figure 5a et c'est 3,2 nm à la longueur d'onde de 615 nm comme indiqué sur la figure 5b. Ils sont comparés aux résultats des conceptions TAM proposées, les valeurs FWHM de TLNM sont améliorées d'au moins 10 fois en gardant l'absorption parfaite. C'est une grande amélioration des performances optiques en utilisant la métasurface LN. Ces résultats indiquent que le TLNM peut être potentiellement utilisé dans de nombreuses applications telles que les filtres de couleur ultrasensibles, les absorbeurs, les détecteurs et les capteurs en fonction de ces caractéristiques extraordinaires de bande ultra-étroite, d'absorption parfaite et de large plage de réglage.

Spectres de réflexion de TLNM. Les paramètres sont optimisés pour la plage réglable maximale dans les conditions de a D _y =350 nm, t =210 nm, b D _y =450 nm, t =280 nm. c , d Les relations de résonances, g valeurs et les valeurs FWHM correspondantes de a et b , respectivement

Pour étudier plus avant si les dispositifs TAM et TLNM peuvent être implantés dans des applications pratiques, par exemple, des capteurs d'environnement, ils sont exposés dans l'environnement environnant avec différents indices de réfraction ambiante (n ). La figure 6 montre les spectres de réflexion de TAM exposés dans l'environnement environnant avec différents indices de réfraction de 1,0 à 1,3. Les dimensions géométriques de TAM sont maintenues aussi constantes que D _x =110 nm, D _y =200 nm, et g =450 nm. Il existe deux résonances décalées vers le rouge avec des plages d'accord de 84,6 nm (ω ₁ ) et 172,1 nm (ω ₂ ). Les relations de résonances et n les valeurs sont résumées dans la Fig. 6b. Les sensibilités sont calculées comme 246,7 nm/RIU et 481,5 nm/RIU, et les chiffres de mérite correspondants (FOM) sont de 11 et 14 pour la première résonance (ω ₁ ) et deuxième résonance (ω ₂ ), respectivement. Ces sensibilités plus élevées sont causées par les résonances FWHM étroites, qui sont de 21,6 nm (ω ₁ ) et 34 nm (ω ₂ ). Ces caractéristiques sont tout à fait adaptées aux applications de détection pragmatiques.

un Spectres de réflexion de TAM exposés dans l'environnement environnant avec différents indices de réfraction (n ). b La relation des résonances et n valeurs

Cependant, l'inconvénient est que l'intensité de réflexion de ω ₁ est relativement élevé et celui de ω ₂ augmente à plus de 20 % lorsque n passe à 1,3. Pour surmonter cette limitation, TLNM est conçu pour posséder des propriétés optiques stables grâce aux caractérisations de la métasurface LN. La figure 7 montre les spectres de réflexion de TLNM exposés dans l'environnement environnant avec différents n valeurs dans les conditions de D _y =350 nm, t =210 nm, g =490 nm, et D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm comme indiqué sur les Fig. 7a, b, respectivement. Sur la figure 7a, les résonances de TLNM avec D _y =350 nm, t =210 nm, g =490 nm sont décalés vers le rouge avec une plage de réglage de 58,4 nm en augmentant n valeurs de 1,0 à 1,2. Alors que les résonances de TLNM dans les conditions de D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm sont décalés vers le rouge avec une plage de réglage de 78,2 nm en augmentant n valeurs de 1,0 à 1,2. Dans ces deux cas, le TLNM présente une absorption presque parfaite, où la fluctuation de l'intensité de réflexion est inférieure à 5%. Les spectres de réflexion sont plus stables que ceux du TAM. Les relations de résonances et n les valeurs sont tracées sur la figure 7c, d pour les deux cas, respectivement. Pour la condition de TLNM avec D _y =350 nm, t =210 nm, g =490 nm, la sensibilité et la valeur moyenne FWHM sont respectivement de 291,4 nm/RIU et 3 nm. Le FOM correspondant est calculé comme étant 97, comme le montre la figure 7c. Pour la condition de TLNM avec D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm, la sensibilité et la valeur moyenne FWHM sont respectivement de 390,3 nm/RIU et 4 nm. Le FOM correspondant est calculé à 97,5, comme indiqué sur la figure 7d, qui est multiplié par 7 par rapport à celui du TAM illustré sur la figure 6. Cela signifie que le TLNM affiche de meilleures performances de détection à utiliser dans les applications de capteurs environnementaux.

Spectres de réflexion de TLNM exposés dans le milieu environnant avec différents indices de réfraction (n ) dans les conditions de a D _y =350 nm, t =210 nm, g =490 nm, b D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm. c , d Les relations de résonances, n valeurs et valeurs FWHM correspondantes, respectivement

Conclusion

En conclusion, nous présentons deux conceptions de filtres de couleur accordables à haute efficacité basés sur des métasurfaces rectangulaires suspendues en Al et LN elliptiques sur un substrat de Si recouvert d'une couche de miroir en Al. En modifiant différentes compositions de D _x , g , et t valeurs de TAM et TLNM, les réponses électromagnétiques peuvent effectuer une absorption parfaite avec une efficacité ultra-élevée couvrant toute la gamme spectrale visible. En augmentant g valeurs, les résonances de TAM et TLNM peuvent être réglées respectivement à 110,7 nm et 117,6 nm. Pour l'application de détection environnementale, le TAM présente une sensibilité ultra-élevée de 481,5 nm/RIU et le TLNM présente une valeur FOM ultra-élevée de 97,5. La FWHM de TLNM est améliorée de 10 fois au maximum et la FOM peut être améliorée de 7 fois par rapport à celles de TAM. D'après les caractéristiques susmentionnées de la bande ultra-étroite, en particulier la FWHM de 3 nm pour le TLNM, une absorption parfaite et une large plage d'accord qui sont rarement signalées dans le spectre visible simultanément par l'implantation de la métasurface Al ou LN, cela indique que les dispositifs proposés peuvent être potentiellement utilisé dans de nombreuses applications telles que les filtres de couleur ultrasensibles avec une pureté de couleur élevée, une haute résolution pour les techniques d'affichage et d'imagerie, les absorbeurs accordables à haute efficacité souhaitables dans l'optique intégrée, les capteurs d'indice de réfraction, etc. Parmi ces applications, TLNM présente une performance avec un FOM plus élevé et FWHM plus étroit tandis que le TAM possède une sensibilité plus élevée pour les capteurs d'indice de réfraction.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

Abréviations

MCF :

Filtres de couleur de métasurface

LN :

Niobate de lithium

TAM :

Métasurface en aluminium accordable

TLNM :

Métasurface LN accordable

F-P :

Fabry-Pérot

FOM :

Figure de mérite

IR :

Infrarouge

THz :

Térahertz

FDTD :

Domaine temporel de différence finie

PML :

Couche parfaitement assortie