Nanocavidad-grafeno ajustable permite transparencia inducida por plasmones para fotónica en chip

Resumen

Se propone y modela mediante el método de elementos finitos una nanoestructura plasmónica basada en grafeno para chip, compuesta por una guía de onda plasmónica de bus acoplada lateralmente con una nanocavidad en U y una rectangular. Se investiga la sintonizabilidad dinámica de las ventanas de transparencia inducida por plasmones (PIT). Los resultados revelan que los efectos PIT pueden sintonizarse modificando el potencial químico de las nanocavidades y la guía de onda de bus plasmónica, o variando parámetros geométricos como la ubicación y anchura de la nanocavidad rectangular. Además, la nanoestructura propuesta puede usarse como sensor de índice de refracción plasmónico con sensibilidad de 333,3 nm/unidad de índice de refracción (RIU) en el pico de transmisión PIT. También se realiza el efecto de luz lenta en el sistema PIT. La nanoestructura propuesta puede allanar un nuevo camino hacia la realización de dispositivos nanofotónicos integrados en chip basados en grafeno.

Antecedentes

La transparencia inducida por plasmones (PIT), fenómeno análogo a la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) que genera una ventana de transparencia aguda dentro de un espectro de absorción amplio, ha atraído gran atención por sus aplicaciones en luz lenta, conmutación óptica, almacenamiento de luz y sensado de alta sensibilidad. Los dispositivos basados en PIT pueden realizarse con huella ultracompacta gracias a la gran capacidad de mejora de campo local y la superación del límite de difracción clásico provista por los polaritones de plasmón de superficie (SPPs). Se han propuesto diversos diseños para lograr PIT en nanoestructuras plasmónicas, incluyendo sistemas de resonadores acoplados, estructuras de cristal fotónico y metamateriales. Sin embargo, la mayoría de estas estructuras que muestran PIT son apenas sintonizables a menos que se cambien los parámetros geométricos, lo que limita en gran medida el control activo de las ventanas PIT y degrada la calidad.

El grafeno, una monocapa de átomos de carbono en red hexagonal bidimensional, muestra gran potencial para dispositivos optoelectrónicos altamente eficientes debido a sus propiedades eléctricas y ópticas excepcionales: confinamiento extremo, sintonizabilidad dinámica y pérdidas de amortiguamiento relativamente bajas. Particularmente, la conductividad superficial del grafeno puede sintonizarse dinámicamente mediante potencial químico a través de voltaje de compuerta externo o dopaje químico, lo que lo hace candidato prometedor para diseñar PIT sintonizable manteniendo fijos los parámetros geométricos. Motivados por esto, proponemos una nanoestructura plasmónica basada en grafeno compuesta por una guía de onda de bus plasmónica acoplada lateralmente a nanocavidades en U y rectangular en la misma monocapa de grafeno. El software COMSOL Multiphysics basado en FEM se utiliza para explorar la transmisión y respuestas electromagnéticas. Los resultados de simulación revelan que el fenómeno PIT se observa en nuestra nanoestructura propuesta. Además, la ventana PIT puede sintonizarse eficazmente variando los potenciales químicos de las nanocavidades y la guía de onda de bus. También se introduce una teoría de modo acoplado (CMT) para explicar las características de transmisión del fenómeno PIT. Finalmente, se estudia un sensor de índice de refracción plasmónico basado en la nanoestructura propuesta, logrando sensibilidad de 333,3 nm/RIU en el pico de transmisión PIT y efecto de luz lenta con retardo de grupo superior a 1 ps.

Métodos

Por simplicidad, la estructura propuesta se modela mediante una monocapa de grafeno suspendida con variación local del potencial químico para formar la guía de onda de bus y los nanorresonadores. La Fig. 1a muestra la configuración esquemática y parámetros geométricos de una nanocavidad en U acoplada directamente a una guía de onda de bus plasmónica. La nanocavidad en U acoplada a guía de onda con potencial químico μc2 está rodeada por la misma lámina de grafeno con potencial químico μc1. La anchura de la guía de onda de bus plasmónica d es 20 nm. La anchura y altura de la nanocavidad en U son WU = 150 nm y LU = 120 nm respectivamente. El modelado teórico exacto requiere computación 3D, extremadamente costosa. Para resolver esto, se usa el método del índice efectivo, reemplazando el índice de refracción por el índice efectivo de modos guiados, definido como la relación entre la constante de propagación y el número de onda en el espacio libre. La lámina de grafeno se trata como una película ultradelgada caracterizada por índice efectivo neff = β/k0, donde k0 = 2π/λ. La constante de propagación β del modo SPP guiado soportado por monocapa de grafeno se expresa mediante la ecuación (1). La conductividad superficial del grafeno σg, compuesta por transiciones interbanda σinter y dispersión electrón-fotón intrabanda σintra, se da por la fórmula de Kubo (ecuaciones 2-4). El potencial químico μc puede sintonizarse vía dopaje químico o compuerta eléctrica. Se han logrado densidades de portadores de 10¹⁴ cm⁻², conduciendo a potenciales químicos de 1-2 eV a temperaturas bajo 250 K. Grafeno suspendido de alta calidad con movilidad DC de 10⁵ cm²V⁻¹s⁻¹ corresponde a τ > 1,5 ps. En este trabajo, tanto el tiempo de relajación como el potencial químico son conservadores para asegurar fiabilidad.

Resultados y Discusión

Al pasar la onda SPP a través de la nanocavidad en U acoplada lateralmente (Fig. 1a), la energía se acopla a la nanocavidad. Se obtiene un valle de transmisión profundo en la longitud de onda de resonancia debido a interferencia destructiva entre la onda incidente y la potencia escapada de la nanocavidad. La Fig. 1b muestra el espectro de transmisión con τ = 1 ps, μc1 = 0,3 eV, μc2 = 0,9 eV. Se logra un dips pronunciado con transmitancia < 0,1 a 2437 nm. El recuadro muestra la distribución de campo eléctrico en la resonancia, donde casi no hay propagación de SPPs a través de la guía de onda. La Fig. 2a muestra espectros de transmitancia con τ variado (0,6, 0,8, 1 ps), observándose mayor contraste de transmisión al aumentar τ, atribuido a reducción de absorción óhmica. La Fig. 2b muestra transmitancia para diferentes μc2 (0,89, 0,895, 0,9 eV) con μc1 = 0,3 eV y τ = 1 ps. Las ubicaciones de los dips se sintonizan dinámicamente vía potencial químico de la nanocavidad y guía de onda. Las longitudes de onda centrales son 2455, 2445 y 2437 nm respectivamente.

Según CMT, la transmitancia espectral del sistema que soporta un modo resonante de frecuencia ω0 se expresa mediante la ecuación (5), donde 1/τi y 1/τe representan la tasa de decaimiento de pérdida intrínseca en la nanocavidad y la potencia escapada a través de la guía de onda. El mínimo de transmitancia Tmin = (1/τi)²/(1/τi + 1/τe)² se alcanza cuando ω = ω0. Como 1/τe ≫ 1/τi, se obtiene un dip de transmisión casi cero, concordando con simulaciones.

Para obtener efectos PIT, se añade una nanocavidad rectangular basada en la nanoestructura de la Fig. 1. La Fig. 3a muestra la configuración esquemática de guía de onda de bus plasmónica acoplada lateralmente a nanocavidades en U y rectangular. Existe fuerte acoplamiento entre ambas nanocavidades cuando se conectan vía la guía de onda de bus plasmónica. La interferencia destructiva entre dos vías de excitación resonante genera el fenómeno PIT. La Fig. 3b muestra un pico de transmisión agudo (aumentado de 0,06 a 0,44) en la banda prohibida de la Fig. 1b, implicando formación de ventana PIT. La longitud de onda central de la ventana PIT es 2437 nm, exactamente la del dip de transmisión de la Fig. 1b. La resonancia amplia de la nanocavidad en U se divide en dos modos: uno desplazado al azul y otro al rojo. Las Figs. 3c-e muestran distribuciones de campo eléctrico en modos resonantes a 2408, 2437 y 2457 nm. A 2437 nm, la distribución de campo en las nanocavidades está en fase con la de la guía de onda, indicando mejora coherente. A 2408 y 2457 nm hay antifase, resultando en inhibición de ondas de transmisión.

Se calcula la transmitancia espectral para el sistema con τ variado (0,6, 0,8, 1 ps) —Fig. 4a— observándose aumento de contraste con τ. La Fig. 4b muestra sintonizabilidad dinámica de la ventana PIT: μc1 = 0,3 eV constante, μc2 = 0,89, 0,895, 0,9 eV. Al aumentar μc2, el pico de transmisión (en 2452, 2445, 2437 nm) se desplaza al azul, logrando PIT sintonizable dinámicamente.

Para investigar influencia de parámetros geométricos, se modificó la ubicación de la nanocavidad rectangular. La Fig. 5a muestra transmitancia con L2 = 250, 252, 254 nm: el pico aumenta (0,44 a 0,52) y la ventana PIT se ensancha, atribuido a intensificación del acoplamiento entre nanocavidades. La Fig. 5b muestra que disminuir la anchura de la nanocavidad rectangular (Wr = 96, 98, 100 nm) aumenta el pico (0,44 a 0,48), ofreciendo otra opción de sintonización. El factor de calidad (Q) de las ventanas PIT se define como λ0/Δλ. Se obtiene FWHM < 30 nm y Q ≈ 80, mucho más estrecho y alto que contrapartes de PIT basadas en grafeno reportadas.

Según CMT, la transmitancia en nuestra nanoestructura se expresa mediante la ecuación (6), donde γ y β son coeficientes de acoplamiento entre nanocavidades y entre nanocavidades y guía de onda. La ventana PIT se obtiene cuando las frecuencias resonantes de la nanocavidad en U (ωU) y rectangular (ωr) son aproximadamente equivalentes, con pico de transmisión |(γ+1)/(β+γ+1)|².

Basado en la estructura de la Fig. 3a, se construye el sensor de índice de refracción modificando la permitividad relativa en la ecuación 1. La Fig. 6a muestra transmitancia con diferentes índices de refracción n (1 a 1,06). Los picos/dips se desplazan de 2437,3 a 2457,3 nm / 2410,3 a 2432,4 nm / 2457,3 a 2474,9 nm. Al aumentar n, tanto pico como dips muestran corrimiento al rojo. La sensibilidad del sensor, definida como dλ/dn, es 333,3, 368,3 y 293,3 nm/RIU respectivamente. La Fig. 6b muestra relación aproximadamente lineal entre longitudes de onda de pico/dip versus n.

El fenómeno PIT viene acompañado de efecto de luz lenta causado por dispersión aguda. El retardo de grupo τg = ∂φ(ω)/∂ω donde φ(ω) es el desfase efectivo del espectro de transmisión. La Fig. 7 muestra retardos de grupo dentro de la ventana PIT a diferentes μc2. En la vecindad del pico de transmisión PIT, se observan grandes retardados positivos indicando luz lenta. Las longitudes de onda de pico a μc2 = 0,89, 0,895, 0,9 eV son 2449,7, 2442,3, 2434,7 nm con retardos de 0,99, 1,1, 1,02 ps. El efecto de luz lenta se sintoniza eficazmente modificando el potencial químico. Cabe señalar que esto es un artículo de prueba de concepto; en realidad la estructura debería estar sobre sustrato, desplazando la respuesta de frecuencia. El confinamiento del plasmón es mayor, aumentando pérdidas y reduciendo el valor pico de la ventana de transparencia, pero el principio es idéntico.

Conclusiones

En conclusión, se han propuesto y modelado efectos PIT sintonizables dinámicamente en nanoestructura plasmónica basada en grafeno compuesta por guía de onda de bus acoplada lateralmente a nanocavidades en U y rectangular, usando FEM. La sintonizabilidad dinámica de las ventanas PIT se logra modificando el potencial químico de las nanocavidades y guía de onda. Además, la ventana PIT puede sintonizarse ajustando parámetros geométricos como ubicación y anchura de la nanocavidad rectangular. Comparado con resonadores anulares convencionales, nuestros resonadores asimétricos en U y rectangular ofrecen mayor fuerza de acoplamiento entre resonadores y guía de bus, resultando en efecto PIT más fuerte. A diferencia de otras guías de onda de nanocinta, nuestras estructuras se forman por variación local del potencial químico en la misma monocapa de grafeno, facilitando integración con otros componentes funcionales en la misma plataforma. Además, esta nanoestructura puede usarse como sensor de índice de refracción con alta sensibilidad y realiza efecto de luz lenta con gran retardo de grupo. La nanoestructura propuesta allana un nuevo camino hacia dispositivos nanofotónicos integrados en chip basados en grafeno.