Diodo óptico dicroico de alta eficiencia mediante rejillas metálicas desplazadas

Resumen

Se propone e investiga numéricamente una estructura de diodo óptico con dos rejillas metálicas paralelas desplazadas. Se realiza transmisión de diodo óptico dicroico en esta estructura, es decir, el efecto diodo óptico se observa en dos bandas de onda correspondientes a direcciones de transmisión inversas. En la estructura, dos rejillas metálicas paralelas con diferentes constantes de rejilla están separadas por una lámina dieléctrica intermedia. La primera rejilla iluminada actúa como selector para excitar plasmones de superficie a una longitud de onda adecuada. La otra rejilla actúa como emisor para realizar transmisión óptica. Cuando la dirección de incidencia se invierte, los roles de las dos rejillas se intercambian y los plasmones de superficie se excitan en otra longitud de onda. En las bandas de onda de transmisión dicroica, la estructura de diodo óptico exhibe transmisión extraordinaria y posee alto aislamiento óptico hasta 1. Además, las bandas de onda de operación pueden modularse cambiando parámetros de la estructura.

Introducción

El diodo óptico, que transmite fotones hacia una dirección y prohíbe la transmisión en la dirección inversa, ha atraído considerable atención por su propiedad de transmisión unidireccional [1]. Los fenómenos de diodo óptico pueden observarse cuando se rompe la simetría de inversión temporal de la interacción luz-materia. Campo magnético externo [2], voltaje de sesgo [3], onda acústica [4], o modulación dependiente del tiempo [5, 6] pueden aplicarse para lograr el efecto diodo óptico. Además, la estructura de ruptura de simetría de inversión espacial es una alternativa, como estructuras multicapa asimétricas [7], cristales fotónicos asimétricos [8], y rejillas asimétricas [9]. En décadas recientes, estructuras metálicas micro-nano ganaron gran interés debido a las prometedoras propiedades de plasmones de superficie (SPs). Dispositivos plasmónicos se proponen en muchos campos como holografía de metasuperficies [10-14], sensor de índice de refracción [15, 16], y filtro [17, 18]. Los dispositivos plasmónicos pueden modificar fuertemente la interacción de campos electromagnéticos a nanoescala [19]. La modulación en SPs puede realizarse cambiando el entorno dieléctrico circundante y parámetros geométricos de estructuras metálicas [20, 21]. Diodos ópticos compuestos de estructuras metálicas a nanoescala, por ejemplo, capas plasmónicas entre rejillas [22, 23], rejillas plasmónicas en cascada [24, 25], nanohoyos plasmónicos [26], guía de onda de ranura plasmónica [27], y agregados de nanopartículas plasmónicas [28], son ampliamente investigados para procesamiento de información óptica.

En este artículo, la transmisión de diodo óptico dicroico se obtiene en dos rejillas metálicas paralelas desplazadas que encapsulan una lámina dieléctrica. Tanto la mejora de transmisión como alto ratio de contraste de aislamiento se logran en las dos bandas de operación con direcciones de transmisión inversas, porque las rejillas metálicas que consisten en rendijas estrechas exhiben transmisión extraordinaria de luz [29, 30] y estructuras asimétricas realizan transmisión unidireccional [27-31]. Según el orden de iluminación, dos rejillas metálicas con diferentes constantes de rejilla actúan como selector y emisor respectivamente. El selector selecciona la longitud de onda de resonancia excitando SPs y, con la contribución de SPs, el emisor realiza transmisión de luz. Cuando la dirección de incidencia se invierte, los roles de las dos rejillas se intercambian y los SPs se excitan en otra longitud de onda. Por tanto, la transmisión de diodo óptico dicroico se obtiene. El espesor de la estructura de diodo óptico propuesta es tan pequeño como 160 nm. Con el desarrollo de tecnologías de nanofabricación, muchos métodos pueden aplicarse a la fabricación de estructuras de rejillas metálicas, como litografía nanoimprint ultravioleta [32], litografía por escritura láser directa [33], y litografía de haz de electrones [34]. El carácter del diodo óptico es independiente de la intensidad de incidencia. Estas propiedades implican que nuestra estructura tiene amplios potenciales en integración óptica.

Métodos

El esquema de la estructura de diodo óptico se muestra en Fig. 1. La estructura consiste en dos rejillas de plata G₁ y G₂ encapsulando una capa de sílice. El espesor de la capa de sílice se denota como d. G₁ y G₂ tienen el mismo ancho de rendija s, el mismo espesor h, y diferentes constantes de rejilla Λᵢ (i = 1, 2). La estructura es simétrica translacional y la celda unitaria contiene 2 unidades de G₁ y 3 unidades de G₂. Δ denota la posición lateral relativa de G₁ y G₂ en una celda unitaria. El modelo de Drude [35] se usa para describir la función dieléctrica de la plata. El índice de refracción de la sílice es 1,5, ignorando su dispersión. El dieléctrico circundante es aire y su índice de refracción es 1. Onda plana de incidencia normal con polarización p se emplea para investigar el efecto diodo óptico.

Diagrama esquemático de la estructura de diodo óptico. a La celda unitaria. b Vista general

La transmitancia T de la estructura de diodo óptico se define como:

$$ T=\frac{p_o}{p_i}, \quad (1) $$

donde Pᵢ es la potencia incidente y Pₒ la potencia de salida. T se simula numéricamente usando el método de diferencias finitas en dominio temporal (FDTD) [36]. Condiciones de contorno periódicas se emplean en los lados izquierdo y derecho, y capas de adaptación perfecta en los lados superior e inferior de nuestro modelo de simulación. T_D y T_U representan la transmitancia para incidencia descendente y ascendente, respectivamente. La propiedad de diodo óptico se describe por el ratio de contraste de aislamiento η:

$$ \eta =\frac{|T_D - T_U|}{T_D + T_U}. \quad (2) $$

Por tanto, η = 1 significa el mejor rendimiento de diodo óptico.

Resultados y Análisis Teóricos

La transmitancia y el ratio de contraste de aislamiento de la estructura de diodo óptico se muestran en Fig. 2. T_D es diferente a T_U cuando la longitud de onda de incidencia es menor que λ_C. T_D alcanza valor máximo 0,73 y T_U es 3,7 × 10⁻³ en λ_D (1315 nm). Mientras T_U alcanza valor máximo 0,82 y T_D es 3,6 × 10⁻⁴ en λ_U (921 nm). Los ratios de contraste de aislamiento en λ_D y λ_U son 0,990 y 0,999, respectivamente. La figura 2 muestra que el efecto diodo óptico se obtiene alrededor de λ_D y λ_U, y las dos bandas de onda tienen direcciones de transmisión inversas. En las bandas de operación del diodo dicroico, la estructura exhibe transmisión extraordinaria.

Espectros de transmisión y ratio de contraste de aislamiento de la estructura de diodo óptico con d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, Λ₂ = 600 nm, y Δ = 0 nm

Para entender la transmisión de diodo óptico dicroico, se simuló la intensidad de campo eléctrico |E|² en las dos bandas de operación. Como se muestra en Fig. 3a, d, el campo eléctrico se realza entre las dos rejillas cuando la luz transmite a través de la estructura de diodo óptico. Mientras tanto, Fig. 3b, c muestran el estado de bloqueo inverso. El realce del campo electromagnético entre las dos rejillas se debe a los SPs en las dos interfaces adyacentes plata/sílice. Los tipos de SPs en las dos rejillas son diferentes, clasificados como SPs estructurados (SSPs) y SPs inducidos (ISPs) respectivamente. Los SSPs se excitan y generan en la primera rejilla iluminada (selector). Los ISPs se inducen en la rejilla posterior (emisor) por el acoplamiento entre SPPs y la interfaz adyacente plata/sílice. Debido a SSPs e ISPs, la luz transmite a través de la estructura de diodo óptico.

Distribuciones de intensidad de campo eléctrico |E|² para incidencia descendente en λ_D = 1315 nm (a), incidencia ascendente en λ_D = 1315 nm (b), incidencia descendente en λ_U = 921 nm (c), e incidencia ascendente en λ_U = 921 nm (d)

La densidad de carga superficial en la interfaz plata/sílice y componente E_y de la distribución de campo eléctrico se ilustran en Fig. 4 para revelar funciones de acoplamiento de SPs. En Fig. 4a, G₁ y G₂ tienen cargas opuestas en sus superficies adyacentes, similar a condensador de placas planas. Bajo condición de incidencia descendente, G₁ actúa como selector para excitar SSPs en λ_D. La distribución periódica de densidad de carga superficial representa que SPPs está determinada por constante de rejilla de G₁. G₂ soporta los ISPs inducidos por SPPs y actúa como emisor para transmisión. E_y entre G₁ y G₂ se realza debido al acoplamiento entre SPPs e ISPs, como se muestra en Fig. 4b. Para condición de incidencia ascendente mostrada en Fig. 4c, d, G₂ actúa como selector y G₁ como emisor.

Densidad de carga superficial en la interfaz plata/sílice en G₁ y G₂, bajo condición de incidencia descendente en λ_D = 1315 nm (a) e incidencia ascendente en λ_U = 921 nm (c). Componente E_y del campo eléctrico bajo condición de incidencia descendente en λ_D = 1315 nm (b) e incidencia ascendente en λ_U = 921 nm (d)

Como se ve en Fig. 4, el campo de transmisión es periódico y no uniforme en dirección horizontal (eje x). El período Λ (Λ = 2Λ₁ = 3Λ₂) de la distribución del campo de transmisión es modulado por la estructura integrada del diodo óptico y satisface 2π/Λ = |g₁ - g₂|, donde gᵢ es el vector de rejilla de Gᵢ (i = 1, 2). El vector de onda lateral κ de la luz transmitida deriva de la superposición de g₁ y g₂:

$$ \kappa =\pm \frac{2\pi }{\Lambda}=\pm |g_1-g_2|, \quad (3) $$

Y decide la longitud de onda crítica λ_C (λ_C = 2π/|κ|) para T_D ≠ T_U. Según Eq. (3), λ_C es 1800 nm para nuestra estructura mencionada, en buen acuerdo con resultados de simulación λ_C = 1806 nm mostrados en Fig. 2. Efectos de diodo óptico aparecen en el rango λ ≤ λ_C. Según resultados de simulación, el período de las rejillas integradas (1800 nm) es mayor que las longitudes de onda de operación del diodo (1315 nm y 921 nm). Componentes de difracción multi-orden pueden obtenerse con dispersión de luz desde las rejillas integradas. Así, el campo de transmisión no es uniforme a lo largo de la dirección paralela a las rejillas, incluso cuando la luz se transmite al campo lejano.

Los SSPs de la rejilla de plata son similares a SPs en interfaz plana plata/sílice excepto que los SSPs son modo radiativo [37], mientras que los SPs son modos completamente ligados a superficie. Los SSPs pueden tratarse como SPs en interfaz plana plata/sílice aproximadamente cuando las rendijas de las rejillas son extremadamente estrechas. Así, la relación de dispersión de los SSPs puede escribirse como [38]:

$$ \beta = k_0\sqrt{\frac{\varepsilon_m \varepsilon_d}{\varepsilon_m + \varepsilon_d}} \quad (4) $$

donde k₀ es el vector de onda en espacio libre y ε_m y ε_d son los coeficientes dieléctricos de plata y sílice, respectivamente. La relación de dispersión descrita por Eq. (4) se ilustra en Fig. 5. La curva de dispersión calculada usando parámetros de modelo Drude [35] en este artículo concuerda bien con la calculada usando conjuntos de datos de constantes ópticas de Johnson y Christy [39] cuando la energía de fotón es menor a 2,75 eV (λ > 450 nm). En Fig. 5, las líneas verticales punteadas rojas y negras representan |g₁| y |g₂|, respectivamente. Los SSPs se excitan por la rejilla cuando se satisface la condición de coincidencia de vectores [40]:

$$ \beta = k_0\sin \theta \pm N g_i (N=1,2,3\dots). \quad (5) $$

Dispersión de SPs en interfaz plana plata/sílice calculada usando modelo Drude y datos de constantes ópticas de Johnson y Christy. Las líneas verticales punteadas rojas y negras representan módulo del vector de rejilla |g₁| y |g₂|, respectivamente

Para incidencia normal (θ = 0°), la difracción de primer orden (N = 1) de una rejilla tiene la mayor eficiencia de difracción, es decir, la mayor eficiencia de excitación para SSPs. Así, Eq. (5) se cumple en los puntos rojo y negro mostrados en Fig. 5:

$$ \beta = |g_i|. \quad (6) $$

En la estructura de diodo óptico, G₁ es el selector para excitar SSPs para incidencia descendente y G₂ es el selector para incidencia ascendente. G₁ y G₂ tienen diferentes constantes de rejilla, así los SSPs se excitan en diferentes longitudes de onda para direcciones de incidencia inversas. En Fig. 5, la energía de fotón en el punto rojo es 0,91 eV y la longitud de onda es 1365 nm, correspondiente a λ_D (1315 nm) mostrada en Fig. 2. Similarmente, la energía de fotón indicada por el punto negro es 1,04 eV y su longitud de onda es 924 nm, correspondiente a λ_U (921 nm) en Fig. 2. Como aproximación de rejilla a placa, las longitudes de onda de resonancia SSPs calculadas usando Eq. (4) y Eq. (6) no son exactamente iguales a las simuladas por métodos FDTD mostradas en Fig. 2.

La ecuación (5) indica que el ángulo de incidencia θ influye en la condición de coincidencia de vector de onda de rejilla a SSPs. Con el cambio de θ, la transmitancia y el ratio de contraste de aislamiento en λ_D (1315 nm) y λ_U (921 nm) se simulan y muestran en Fig. 6a, b, respectivamente. Con θ aumentando de 0° a 10°, T_D en λ_D y T_U en λ_U disminuyen por desajuste de vector de onda entre gᵢ y SSPs. (T_D en λ_D disminuye a 0 cuando θ ≈ 40° y T_U en λ_U disminuye a 0 cuando θ ≈ 35°.) En rango de ángulo de incidencia 0° ≤ θ ≤ 5°, T_D en λ_U y T_U en λ_D son casi 0, y η siempre se mantiene mayor que 0,98 en ambos λ_U y λ_D. La figura 6 demuestra que la estructura muestra buen efecto diodo óptico en λ_D y λ_U bajo incidencia de ángulo pequeño.

Influencia del ángulo de incidencia en transmitancia y ratio de contraste de aislamiento en λ_D = 1315 nm (a) y λ_U = 921 nm (b)

Investigación y Discusión

En esta sección, investigamos la influencia de parámetros de estructura en espectros de transmisión y ratio de contraste de aislamiento.

El espesor intercapas d y la posición lateral relativa de rejillas Δ están limitados por precisión de fabricación. La influencia de d y Δ en espectros de transmisión y ratios de contraste de aislamiento se muestran en Figs. 7 y 8, respectivamente. La figura 7 muestra que las bandas de operación del diodo óptico exhiben un ligero corrimiento al rojo cuando d aumenta. Mientras tanto, el valor máximo de T_D disminuye muy poco, pero el valor máximo de T_U disminuye significativamente. El aumento de d alargará la distancia de transmisión de luz a través de la estructura, debilitará la interacción electromagnética entre G₁ y G₂, e impedirá la densidad de carga inducida en la superficie del emisor. Como se ve en Fig. 4, las cargas distribuidas en esquinas de rendijas del emisor actúan como fuentes dipolares eléctricas del campo de transmisión. La densidad de carga en esquinas de rendijas del emisor G₂ (Fig. 4a) es mucho mayor que en esquinas de rendijas del emisor G₁ (Fig. 4c), así d influye menos en el valor máximo de T_D que en el de T_U. Además, con el aumento de d, pequeños picos marcados como FP₁ y FP₂ aparecen en T_U y el pico de transmisión de FP₁ exhibe gran corrimiento al rojo. Las distribuciones de intensidad de campo eléctrico |E|² prueban que FP₁ y FP₂ resultan de resonancias Fabry-Perot.

Influencia de d en espectros de transmisión y ratio de contraste de aislamiento. d = 220 nm (a), d = 240 nm (b), y d = 260 nm (c) cuando s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, Λ₂ = 600 nm, y Δ = 0 nm. Los recuadros son distribuciones de intensidad de campo eléctrico |E|² para resonancias de transmisión ascendente

Influencia de Δ en espectros de transmisión y ratio de contraste de aislamiento. Δ = 50 nm = Λ₂/12 (a), Δ = 100 nm = Λ₂/6 (b), y Δ = 150 nm = Λ₂/4 (c) cuando d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, y Λ₂ = 600 nm. Los recuadros en (b) son distribuciones de E_y para resonancias de transmisión ascendente

Como se muestra en Fig. 1, la estructura de diodo óptico es periódica y tiene la misma celda unitaria cuando Δ = a ± MΛ₂/2 (0 nm < a < Λ₂/2 y M = 0, 1, 2…). Además, la celda unitaria de Δ = a es simétrica izquierda-derecha con la de Δ = −a ± MΛ₂/2 y pueden realizar el mismo efecto de transmisión. Así, la transmitancia de la estructura de diodo óptico es afectada por Δ como: T(Δ) = T(Δ + Λ₂/2) = T(−Δ + Λ₂/2). Como se muestra en Fig. 8, el efecto diodo óptico en λ~921 nm se enciende y apaga dentro de un período de Λ₂/2 a medida que Δ aumenta. Sin embargo, el pico de transmisión de T_D exhibe un ligero corrimiento al azul y el efecto diodo óptico en λ~1315 nm está siempre encendido cuando Δ aumenta. Visto en Fig. 8a, un nuevo pico de transmisión en λ_N emerge en curva T_U cerca de λ_U. Cuando Δ aumenta de Λ₂/12 a Λ₂/6, el pico en λ_N exhibe corrimiento al azul mientras el pico en λ_U exhibe corrimiento al rojo (Fig. 8a, b). Distribuciones de E_y para resonancias de transmisión en λ_U y λ_N se insertan en Fig. 8b. Según resultados de simulación, la resonancia en λ_N genera debido a división de energía. Cuando Δ aumenta a Λ₂/4, mostrado en Fig. 8c, T_U se suprime y dos resonancias de transmisión desaparecen, lo que hace que el efecto diodo óptico se apague en λ~921 nm.

Según el análisis teórico, la banda de operación del diodo óptico puede obtenerse en cierto rango optimizando parámetros de rejilla. La figura 9 muestra que la transmisión de diodo óptico dicroico se logra en rango de luz visible con parámetros de estructura d = 100 nm, Λ₁ = 450 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, y Δ = 0 nm. Las transmitancias máximas de bandas de transmisión del diodo dicroico son 80 % (en 522 nm para incidencia ascendente) y 71 % (en 732 nm para incidencia descendente), y los correspondientes ratios de contraste de aislamiento η son 0,998 y 0,993.

Espectros de transmisión y ratio de contraste de aislamiento para la estructura de diodo óptico con d = 100 nm, Λ₁ = 450 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, y Δ = 0 nm

Además, el componente de la celda unitaria en nuestra estructura también influye en los fenómenos de diodo óptico. Según Eq. (5), las bandas de onda del efecto diodo dependen de Λ₁ y Λ₂. En nuestra investigación, seleccionamos la celda unitaria consistente en 2 unidades de G₁ y 3 unidades de G₂, es decir, 2Λ₁ = 3Λ₂, para obtener altas transmitancias y buenos ratios de contraste de aislamiento en las bandas de onda del diodo óptico simultáneamente. Por ejemplo, Fig. 10 muestra la transmisión dicroica de la estructura de diodo óptico con su celda unitaria consistente en 3 unidades de G₁ y 4 unidades de G₂. Los efectos diodo óptico se obtienen en 530 nm con T_U = 72 % y 659 nm con T_U = 76 %. Los ratios de contraste de aislamiento en las dos longitudes de onda se reducen a 0,912 y 0,987, porque la diferencia de |g₁| y |g₂| es pequeña y la rejilla actuando como selector puede excitar los SSPs de ambas rejillas a diferentes eficiencias. Además, cuando Λ₁ = 2Λ₂, la resonancia de transmisión de SPs en la estructura de diodo óptico causada por difracción de primer orden de G₂ también puede ser excitada por difracción de segundo orden de G₁ para 2g₁ = g₂, lo que reduciría el ratio de contraste de aislamiento. Así, la buena propiedad de diodo óptico requiere que dos constantes de rejilla tengan una diferencia suficiente y eviten la relación de múltiplo entero.

Espectros de transmisión y ratio de contraste de aislamiento para la estructura de diodo óptico con celda unitaria incluyendo 3 unidades de G₁ y 4 unidades de G₂. d = 100 nm, Λ₁ = 400 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, y Δ = 0 nm

Conclusiones

La transmisión de diodo óptico dicroico basada en SPs se realiza en nuestra estructura, que consiste en dos rejillas de plata paralelas desplazadas y una intercapa de sílice. La primera rejilla metálica iluminada selecciona la banda de onda de transmisión excitando SSPs, y la otra rejilla metálica emite energía electromagnética hacia adelante a través de oscilaciones de electrones superficiales. Cuando la dirección de incidencia de la luz se invierte, los roles de las dos rejillas se intercambian y aparece otra banda de onda de transmisión de diodo óptico. El ratio de aislamiento óptico puede alcanzar casi 1. Las bandas de onda de transmisión de diodo óptico pueden ajustarse a diferentes regiones cambiando parámetros de estructura. Las bandas de onda de operación del diodo óptico y la transmitancia son independientes de la intensidad de incidencia. El espesor de la estructura es solo unas pocas centenas de nanómetros. Estas propiedades de nuestra estructura proporcionan amplia gama de aplicaciones en circuitos integrados.

Abreviaturas

ISPs:

Plasmones de superficie inducidos

SPs:

Plasmones de superficie

SSPs:

Plasmones de superficie estructurados