Transparencia inducida por plasmones mediante resonadores de lazo asimétricos para comunicaciones ópticas en chip

Resumen

La transparencia inducida por plasmones (PIT) es una forma eficiente de imitar la transparencia inducida electromagnéticamente (EIT), que puede eliminar el efecto opaco del medio a la onda electromagnética propagante. Proponemos una estructura de lazo asimétrico acoplada por apertura para realizar PIT en chip en banda de comunicaciones ópticas. La PIT resulta del fuerte acoplamiento entre resonadores triangulares de lazo desintonizados. Cada resonador funciona como una cavidad Fabry-Perot de dimensiones compactas. La longitud de onda del pico transparente puede controlarse fácilmente debido a su fuerte relación lineal con la altura del resonador. La relación de valle de absorción a pico transparente puede superar 10 dB. Además, con excelente linealidad del desplazamiento de longitud de onda al índice de material de sensado, el dispositivo tiene gran rendimiento de sensado e inmunidad a desviaciones estructurales.

Antecedentes

El efecto de transparencia inducida electromagnéticamente (EIT), resultante de interferencia destructiva cuántica entre dos vías en sistemas atómicos de tres niveles [1, 2], muestra tremendo potencial en propagación de luz lenta [3, 4], óptica no lineal [5] y almacenamiento óptico [6]. En un sistema EIT, el efecto de interferencia cuántica reduce la absorción de luz en una región espectral estrecha, surgiendo una resonancia aguda de transmisión casi perfecta dentro de un perfil de absorción amplio [7]. Sin embargo, el efecto EIT es muy sensible al ensanchamiento por movimiento atómico. La realización del efecto EIT requiere láseres de gas estables y entornos rigurosos, lo que dificulta sus aplicaciones prácticas. Recientemente, se han propuesto diversas configuraciones para imitar transmisión tipo EIT sin exigir condiciones experimentales rigurosas, incluyendo micro-resonadores acoplados [8–12], anillos divididos y metamateriales [13–16] compuestos de materiales dieléctricos y metálicos. Entre ellos, EIT basado en metamateriales con patrones de unidad periódicos requiere señal de luz excitada incidente en dirección no paralela a la superficie del chip. Con la luz incidente paralela a la superficie del chip, los micro-resonadores acoplados son notables para cumplir requisitos de integración en chip de transmisión tipo EIT. Para reducir aún más la huella de dispositivos EIT, la transparencia inducida por plasmones (PIT) se ha propuesto como análogo al EIT clásico con fuerte confinamiento óptico más allá del límite de difracción para ondas electromagnéticas [17–19]. Los plasmones de superficie son oscilaciones ópticamente inducidas de electrones libres en la interfaz metal/dieléctrico exhibiendo fuerte confinamiento óptico y componentes fotónicos miniaturizados [20, 21]. Recientemente, guías de onda plasmónicas metal/aislante/metal (MIM) con confinamiento óptico extremadamente alto y espaciamiento cercano a guías adyacentes son guías de onda nanoscópicas muy prometedoras capaces de superar el límite de difracción y tienen diversas aplicaciones en sensores plasmónicos [22], acopladores [23] y filtros [24]. Así, transmisión PIT basada en MIM tiene enorme potencial en aplicaciones en chip de comunicaciones ópticas, procesamiento de información óptica y óptica no lineal.

Aquí proponemos una estructura novedosa de resonadores desintonizados para obtener transmisión PIT en guías MIM. El dispositivo con estructura planar comprende dos resonadores triangulares desintonizados y una guía de bus, formando estructura de lazo asimétrico para habilitar efecto PIT. Debido a la respuesta sensible y lineal de la longitud de onda del pico transparente a parámetros estructurales y medio dentro de la guía, el dispositivo propuesto permite sensado de índice refractivo basado en PIT. Con estructura compacta y fácil de fabricar, el dispositivo podría tener gran importancia en integraciones fotónicas en chip.

Métodos

El esquema de la estructura de lazo asimétrico se muestra en Fig. 1, donde el material de fondo en azul es plata, cuya permitividad se describe por el modelo Drude \( {\varepsilon}_r={\varepsilon}_{\infty }-{\omega}_p^2/\left({\omega}^2+ j\gamma \omega \right) \), con ε_∞=3,7, ω_p=9,1 eV y γ=0,018 eV. Los parámetros adoptados ajustan datos experimentales en frecuencias de comunicaciones ópticas [25]. Todas las guías MIM están llenas de aire. La tira larga en el centro es la guía de bus para transmitir luz. A ambos lados de la guía están los resonadores de lazo. Los resonadores de lazo son asimétricos con parámetros estructurales desintonizados como altitud y ángulo denotados por H_u, H_d, θ₁ y θ₂. Los vértices de los triángulos en el lazo están en el centro de la guía de bus. Así, los resonadores de lazo tienen pequeñas conexiones a la guía de bus permitiendo acoplamiento eficiente. El ancho de las guías de bus se fija en 100 nm y la longitud no afecta el espectro de transmisión PIT excepto por pérdida de transmisión. Su longitud se fija en 1 µm considerando compacidad e integración. Dos rejillas en ambos extremos de la guía de bus inyectan fuente de luz de banda ancha o barrido de longitud de onda y recogen espectro de transmisión. El espectro de transmisión se calculó numéricamente usando método de elementos finitos con condiciones de frontera de dispersión. En la simulación, una onda plana se inyectó desde la rejilla izquierda de la guía de bus por un puerto para excitar modos fundamentales TM de SPs. La luz transmitida se recogió de la rejilla derecha definida como T = P_out/P_in, donde P_in = ∫ PoavzdS₁ y P_out = ∫ PoavzdS₂; Poavz es la componente z del flujo de potencia promediado en tiempo. Los espectros de transmisión se obtienen barrido paramétrico de longitud de onda de entrada. La estructura de lazo asimétrico acoplada por apertura podría fabricarse: primero, depositar película Ag 500 nm en sustrato silice/silicio; luego, depositar película silice 500 nm; finalmente, fabricar patrón requerido incluyendo rejillas por EBL y grabado. El esquema acoplado por apertura potencialmente tiene requisitos de fabricación menos estrictos que dispositivos basados en acoplamiento evanescente y puede usarse para lograr acoplamiento eficiente en otras estructuras plasmónicas MIM importantes.

Resultados y Discusión

A diferencia de resonadores rectangulares normales, los resonadores triangulares en el lazo están determinados no solo por longitud de lado, sino también por ángulos. Primero investigamos el impacto del ángulo conectado a la guía de bus en la transmisión y propiedades resonantes de la estructura propuesta con un solo resonador triangular. Los espectros de transmisión de resonador triangular único se muestran en Fig. 2. Todas las alturas del resonador se fijaron en 0,8 µm. El ángulo superior del resonador triangular conecta a la guía de bus permitiendo acoplamiento lateral de energía electromagnética desde la guía de bus al resonador triangular. Así, valles de transmisión profundos aparecen en los espectros de Fig. 2. Esas cantidad, ancho de banda y longitudes de onda de valle están determinadas por parámetros estructurales del resonador. Para ángulo 20°, hay dos valles profundos en el espectro. El valle resonante en longitud de onda mayor es orden 0 en direcciones longitudinal y horizontal. Al disminuir longitud de onda, la altura del resonador permite un nodo más de onda estacionaria, que es orden 1 en dirección longitudinal. La situación para ángulo 40° es similar a 20°. A medida que el ángulo aumenta, emerge un valle resonante más en el espectro. El ángulo mayor hace que la distribución modal se divida en dirección horizontal formando modo de alto orden de orden 1 en dirección horizontal. Para ángulo mayor 80°, el modo L: orden 0 se divide en dirección horizontal formando L: 1; H: 1 modo. Así, el aumento de ángulo resulta en tanto desplazamiento de longitud de onda como división de distribución modal en dirección horizontal formando modos de alto orden. El desplazamiento de longitud de onda no tiene relación directa con el ángulo, porque la variación de ángulo también altera la longitud de lado. Para mantener propiedades resonantes estables, ángulos pequeños son preferidos.

La altura del resonador es el parámetro clave para propiedades resonantes. Los espectros de transmisión del dispositivo con resonador triangular único para altura variando 0,8 a 1,1 µm se muestran en Fig. 3a. Se seleccionó ángulo de cavidad 40° durante simulación. En rango longitud de onda 1,2 a 1,8 µm, cada espectro tiene un solo dip, significando valle resonante. Todas las transmitancias de valle son ~0,1. Como muestra la distribución electromagnética de H_z en longitudes de onda resonante y no resonante en los insets de Fig. 3a, la mayoría de energía electromagnética se acopla al resonador triangular en longitud de onda resonante, mientras la mayoría de otras longitudes de onda de luz inyectada de banda ancha se transmiten por la guía de bus. Con altura incremental, la longitud de onda de valle exhibe comportamiento de corrimiento al rojo. Como se muestra en Fig. 3b, la longitud de onda de desplazamiento es proporcional a la altura con excelente linealidad. El corrimiento de longitud de onda resonante puede explicarse vía condición de onda estacionaria Nλ_N = 2n_gL, N = (1, 2, 3…). Para N específico, mayor altura del resonador triangular causa corrimiento al rojo de longitud de onda resonante, mientras altura menor causa corrimiento al azul. Para diferentes ángulos, la relación entre longitud de onda resonante y altura se mantiene similar, lo que hace factible fabricación sin requisitos estrictos.

Para realizar transmisión PIT, se requiere fuerte acoplamiento entre resonadores dobles con longitud de cavidad ligeramente desintonizada. La estructura de lazo asimétrico propuesta compuesta por resonadores triangulares con alturas ligeramente desintonizadas permite fuerte acoplamiento entre resonadores. Ajustando finamente las alturas de los resonadores triangulares dobles, un pico de transmisión transparente aparecerá en la banda prohibida del resonador único. Como se muestra en Fig. 4a, se seleccionó ángulo 20° para mantener solo un valle dentro del rango de longitud de onda y las alturas se seleccionaron finamente para hacer la banda de transmisión PIT localizar alrededor de 1,55 µm para aplicaciones en comunicaciones ópticas. El espectro de transmisión del resonador único con altura 0,93 µm se muestra como línea discontinua roja. Su valle localiza en 1,47 µm. Para introducir diferencia estructural junto con diferencia de valle, el resonador único con altura 1,02 µm se emplea para emparejar el anterior. El espectro se muestra como línea discontinua azul y su valle localiza en 1,61 µm. Entonces, la energía electromagnética dentro de los resonadores emparejados se acopla fuertemente, formando un espectro de transmisión con dos valles profundos y un pico transparente, representado como línea negra sólida. El pico transparente localiza en el centro entre los dos valles profundos, que era banda prohibida para resonadores únicos. Como muestran los insets, en el primer valle, la mayor energía electromagnética se acopla al resonador debajo de la guía de bus en lugar del superior. En el segundo valle, la mayor energía se acopla al resonador superior. Estos son muy similares a los de resonadores únicos. En el pico transparente, alrededor de 75 % energía electromagnética transmite por la guía de bus, y solo una pequeña parte se acopla a los resonadores de lazo asimétrico, formando banda transparente para energía electromagnética propagante. Se nota que PIT también puede obtenerse en estructura de lazo asimétrico con diferentes ángulos. Sin embargo, la longitud de onda de valle junto con pico no varía monótonamente con el ángulo, llevando a control muy difícil del pico transparente. Además, como se mencionó, resonador con ángulos mayores da lugar a resonancia multi-modo, perjudicial para control del efecto PIT. Así, solo el PIT inducido por diferencia de altura se elabora en este artículo. El efecto PIT en la estructura propuesta es sensible a la altura. Para mantener el pico transparente en longitud de onda de comunicaciones ópticas, varios conjuntos de valores de altura con diferencia de 30 a 190 nm se seleccionan para investigar impacto de diferencia de altura en efecto PIT. Como se muestra en Fig. 4b, seleccionando finamente conjuntos de valores de altura, el pico transparente puede mantenerse en 1,55 µm. La relación máxima de pico transparente a valle de absorción puede ser >10 dB. El ancho y transmitancia tienen relación positiva con diferencia de altura. En Fig. 4c, el ancho a media altura (FWHM) de banda transparente es proporcional a diferencia de altura con comportamiento aproximadamente lineal, consistente con Fig. 3b. Debido a disipación metálica, transmisión totalmente transparente de PIT es impracticable. La transmitancia de pico primero aumenta rápido con diferencia de altura creciente y luego tiende a estabilizarse sobre 0,8.

Como se elaboró en secciones anteriores, el valle y pico transparente están determinados por parámetros estructurales y material medio dentro del resonador y guía de bus. Así, sensado basado en PIT en la estructura de lazo asimétrico propuesta es factible. Previamente, la guía de bus y resonadores están llenos de aire, significando vacíos y pueden emplearse como contenedor para líquido. En la simulación, la guía de bus y resonadores se llenan con líquido. Su índice refractivo varía 1,30 a 1,40, cubriendo líquidos comunes como agua, acetona, alcohol metílico, etílico, propílico, solución glucosa, etc. [26]. Como se muestra en Fig. 5a, el pico transparente se comporta con corrimiento al rojo al aumentar índice refractivo del líquido. Cada pico puede distinguirse claramente y la transmitancia de pico se mantiene casi estable. En Fig. 5b, las funciones de longitud de onda de pico como índice refractivo para diferencias de altura 50 nm, 70 nm, 90 nm, 120 nm y 150 nm son directamente proporcionales. El desplazamiento de longitud de onda tiene excelente linealidad. Las sensibilidades calculadas para las diferencias de altura son aproximadamente iguales a 1140 nm/RIU, y la resolución de sensado correspondiente es 8,8 × 10⁻⁵ RIU. Así, el sensor basado en PIT de lazo asimétrico tiene sensibilidad muy alta e excelente inmunidad a desviaciones de fabricación.

Conclusiones

Propusimos una estructura de lazo asimétrico para realizar efecto PIT. Propiedades de transmisión de resonadores con diferentes parámetros estructurales se calcularon numéricamente usando método de elementos finitos. A través del fuerte acoplamiento entre resonadores triangulares desintonizados, banda de transmisión transparente puede obtenerse en banda prohibida de resonadores únicos. Con tres dimensiones menores que longitud de onda en espacio libre, el dispositivo tiene estructura simple y ultra-compacta. También tiene excelente inmunidad a desviaciones de fabricación facilitando su fabricación sin requisitos estrictos. Además, se demostró propiedad de sensado basada en PIT usando la estructura de lazo asimétrico propuesta. El dispositivo alcanza sensibilidad máxima de 1140 nm/RIU; resolución de sensado correspondiente 8,8 × 10⁻⁵ RIU. La sensibilidad tiene excelente linealidad y consistencia para diferencia de altura variable. Por tanto, nuestra estructura de lazo asimétrico propuesta proporciona nueva plataforma para dispositivos tipo EIT en chip y sensores de índice refractivo.