Transparencia inducida por plasmones en una estructura asimétrica de pajarita

Resultados y discusión

A diferencia de los resonadores rectangulares normales, los resonadores triangulares en la pajarita están determinados no solo por la longitud lateral, sino también por los ángulos. Entonces, primero investigamos el impacto del ángulo conectado a la guía de ondas del bus en la transmisión y las propiedades resonantes de la estructura propuesta con un solo resonador triangular. Los espectros de transmisión de un solo resonador triangular se muestran en la Fig. 2. Todas las alturas del resonador se fijan en 0,8 μm. El ángulo superior del resonador triangular está conectado a la guía de ondas del bus permitiendo la energía electromagnética acoplada lateralmente desde la guía de ondas del bus al resonador triangular. Por lo tanto, los valles de transmisión profundos aparecen en los espectros de la Fig. 2. La cantidad, el ancho de banda y las longitudes de onda de los valles están determinados por los parámetros estructurales del resonador. Para el ángulo de 20 °, hay dos valles de transmisión profundos en el espectro. El valle resonante en la longitud de onda más larga es de orden 0 y orden 0 en direcciones longitudinal y horizontal, respectivamente. Con la longitud de onda decreciente, la altura del resonador permite un nodo de onda estacionaria más, que es de primer orden en la dirección longitudinal. La situación para el ángulo de 40 ° es similar a la de 20 °. A medida que aumenta el ángulo, emerge un valle resonante más en el espectro. El ángulo más grande hace que la distribución modal se divida en una dirección horizontal formando un modo de orden superior de primer orden en una dirección horizontal. Para un ángulo mayor de 80 °, el modo de L:0º orden se divide en una dirección horizontal formando L:1º; H:1er modo. Por tanto, el ángulo creciente da como resultado tanto el desplazamiento de la longitud de onda como la división de la distribución modal en una dirección horizontal formando modos de orden superior. La longitud de onda de desplazamiento no tiene relación directa con el ángulo, porque la variación del ángulo también altera la longitud del lado. Por lo tanto, para mantener las propiedades de resonancia estables, se prefieren ángulos pequeños.

Espectros de transmisión del resonador triangular único para ángulos de 20 ° ( a ), 40 ° ( b ), 60 ° ( c ) y 80 ° ( d ). Los recuadros son campo magnético H _z correspondiente a las longitudes de onda resonantes

La altura del resonador es el parámetro clave de las propiedades resonantes. Los espectros de transmisión del dispositivo con un solo resonador triangular para una altura de resonador que varía de 0,8 a 1,1 μm se muestran en la Fig. 3a. Se seleccionó un ángulo de cavidad de 40 ° durante la simulación. Dentro del rango de longitud de onda de 1,2 a 1,8 μm, cada uno de los espectros tiene una única inmersión, es decir, el valle resonante. Todas las transmisividades del valle están alrededor de 0,1. Como la distribución electromagnética de H _z En las longitudes de onda resonantes y no resonantes que se muestran en los recuadros de la Fig.3a, la mayoría de la energía electromagnética se acopla al resonador triangular en la longitud de onda resonante, mientras que la mayoría de las otras longitudes de onda de la luz de banda ancha inyectada se transmite a través de la guía de ondas del bus. Con la altura incremental, la longitud de onda del valle presenta un comportamiento de desplazamiento hacia el rojo. Como se muestra en la Fig. 3b, la longitud de onda cambiante es proporcional a la altura con excelente linealidad. El cambio de la longitud de onda resonante se puede explicar mediante la condición de onda estacionaria Nλ _N =2 n _g L , N =(1, 2, 3…). Para una N específica , la mayor altura del resonador triangular provoca el desplazamiento hacia el rojo de la longitud de onda resonante, mientras que la altura más corta provoca el desplazamiento hacia el azul de la longitud de onda resonante. Para diferentes ángulos, la relación entre la longitud de onda resonante y la altura permanece similar, lo que hace que la fabricación sea factible sin requisitos estrictos.

Propiedades de transmisión del resonador triangular único . un Espectros de transmisión del resonador triangular único para diferentes alturas. b Dependencia de la longitud de onda resonante de la altura para ángulos de 40 °, 60 ° y 80 °. Los recuadros son campo magnético H _z correspondiente a las longitudes de onda resonantes y no resonantes

Para realizar la transmisión PIT, se requiere un fuerte acoplamiento entre resonadores dobles con una longitud de cavidad ligeramente desafinada. La estructura de pajarita asimétrica propuesta compuesta por resonadores triangulares con alturas ligeramente desafinadas permite un fuerte acoplamiento entre los resonadores. Al ajustar con precisión las alturas de los resonadores triangulares dobles, aparecerá un pico de transmisión transparente en la banda prohibida del resonador único. Como se muestra en la Fig. 4a, se seleccionó el ángulo de 20 ° para mantener solo un valle dentro del rango de longitud de onda y las alturas se seleccionaron con precisión para hacer que la banda de transmisión PIT se ubique alrededor de 1,55 μm para aplicaciones en comunicaciones ópticas. El espectro de transmisión del resonador único con una altura de 0,93 μm se representa con la línea roja discontinua. Su valle se sitúa en 1,47 μm. Para introducir la diferencia estructural junto con la diferencia de valle, se emplea el resonador único con una altura de 1,02 μm para emparejar el resonador anterior. El espectro se representa como la línea discontinua azul y su valle se ubica en 1,61 μm. Luego, la energía electromagnética dentro de los resonadores emparejados se acopla fuertemente, formando un espectro de transmisión con dos valles profundos y un pico transparente, que se representa como la línea negra sólida. El pico transparente se ubica en el centro entre los dos valles profundos, que era una banda prohibida para resonadores individuales. Como muestran los recuadros, en el primer valle, la energía electromagnética principal se acopla al resonador debajo de la guía de ondas del bus en lugar del resonador superior. En el segundo valle, la energía electromagnética principal se acopla al resonador superior. Estos son muy similares a los de los resonadores individuales. En el pico transparente, alrededor del 75% de la energía electromagnética se transmite a través de la guía de ondas del bus, y solo una pequeña parte de la energía se acopla a los resonadores asimétricos de pajarita, formando una banda transparente para la propagación de la energía electromagnética. Cabe señalar que el PIT también se puede obtener en una estructura asimétrica de pajarita con diferentes ángulos. Sin embargo, la longitud de onda del valle junto con la longitud de onda del pico no varía monótonamente con el ángulo, lo que conduce a un control muy difícil del pico transparente. Además, como se mencionó en la sección anterior, el resonador con ángulos más grandes da lugar a una resonancia multimodo, que es perjudicial para el control del efecto PIT. Por lo tanto, en este artículo solo se elabora la PIT inducida por la diferencia de altura. El efecto PIT en la estructura de pajarita asimétrica propuesta es sensible a la altura. Para mantener el pico transparente en la longitud de onda de las comunicaciones ópticas, se seleccionan varios conjuntos de valores de altura con una diferencia de altura de 30 a 190 nm para investigar el impacto de la diferencia de altura en el efecto PIT. Como se muestra en la Fig. 4b, seleccionando con precisión conjuntos de valores de altura del resonador, el pico transparente se puede mantener en 1,55 µm. La relación máxima de pico transparente a valle de absorción puede ser de más de 10 dB. Tanto el ancho como la transmittividad tienen una relación positiva con la diferencia de altura. En la Fig. 4c, el ancho total a la mitad del máximo (FWHM) de la banda transparente es proporcional a la diferencia de altura con un comportamiento aproximadamente lineal, que es consistente con el comportamiento de la Fig. 3b. Debido a la existencia de disipación metálica, la transmisión totalmente transparente del efecto PIT no es práctica. La transmitividad máxima primero aumenta rápidamente con el aumento de la diferencia de altura y luego tiende a mantenerse estable por encima de 0.8.

Transmisión PIT de la estructura asimétrica de pajarita. un Espectro de transmisión PIT. b Espectros de transmisión PIT para diferencias de altura variables. c FWHM y transmittividad máxima como funciones de la diferencia de altura

Como se detalla en las secciones anteriores, el valle y el pico transparente están determinados por los parámetros estructurales y el material del medio dentro del resonador y la guía de ondas del bus. Por lo tanto, la detección basada en PIT en la estructura de pajarita asimétrica propuesta es factible. Anteriormente, la guía de ondas del bus y los resonadores se llenaban con aire, lo que significa que estaban vacíos y se pueden emplear como contenedor de líquido. En la simulación, la guía de ondas del bus y los resonadores se llenan de líquido. Su índice de refracción varía de 1,30 a 1,40, abarcando diversos líquidos comunes de agua, acetona, alcohol metílico, alcohol etílico, alcohol propílico, solución de glucosa, etc. [26]. Como se muestra en la Fig. 5a, el pico transparente se comporta como un corrimiento hacia el rojo con el índice de refracción creciente del líquido. Obviamente, cada pico se puede distinguir y la transmitividad máxima casi se mantiene estable. En la Fig. 5b, las funciones de la longitud de onda máxima como índice de refracción para diferencias de altura de 50 nm, 70 nm, 90 nm, 120 nm y 150 nm son directamente proporcionales. El cambio de longitud de onda tiene una excelente linealidad. Las sensibilidades calculadas para las diferencias de altura son todas aproximadamente iguales a 1140 nm / RIU, y la resolución de detección correspondiente es 8.8 × 10 ⁻⁵ RIU. Por lo tanto, el sensor asimétrico de pajarita PIT tiene una sensibilidad muy alta y una excelente inmunidad a la desviación de fabricación.

Propiedades de detección basadas en PIT. un Espectros de transmisión de una diferencia de altura de 90 nm para un índice de refracción que varía de 80 a 120 nm. b Dependencia de la longitud de onda máxima del índice de refracción para diferentes diferencias de altura