非対称ボウタイ構造におけるプラズモン誘起透明性

背景

3レベルの原子系[1、2]の2つの経路間の量子破壊干渉から生じる電磁誘導透明度（EIT）効果は、低速光伝搬[3、4]、非線形光学[5]、および光ストレージ[6]。 EITシステムでは、量子干渉効果により、狭いスペクトル領域での光吸収が減少し、広い吸収プロファイル内でほぼ完全な透過の鋭い共鳴が生じます[7]。ただし、EIT効果は、原子運動による広がりに非常に敏感です。 EIT効果を実現するには、安定したガスレーザーと過酷な環境が必要であり、実用化の妨げになります。最近、結合された微小共振器[8,9,10,11,12]、スプリットリング、メタマテリアル[13,14、 15,16]誘電体と金属材料で構成されています。その中で、周期的なユニットパターンを持つメタマテリアルベースのEITは、チップ表面に平行でない方向に入射する励起信号光を必要とします。励起された信号光がチップ表面に平行な方向に入射するため、結合された微小共振器は、EITのような伝送のオンチップ統合アプリケーションの要件を満たすために注目に値します。 EITデバイスのフットプリントをさらに削減するために、プラズモン誘起透明度（PIT）が、電磁波の回折限界を超える強力な光閉じ込めを備えた従来のEITのアナログとして提案されています[17、18、19]。表面プラズモンは、金属/誘電体の界面で光学的に誘導された自由電子の振動であり、強力な光閉じ込めと小型化されたフォトニックコンポーネントを示します[20、21]。最近、非常に高い光閉じ込めと隣接する導波路へのより狭い間隔を備えた金属/絶縁体/金属（MIM）プラズモン導波路は、回折限界を克服することができ、プラズモンセンサー[22]、カプラー[22]、カプラー[22]の多様な用途を持つ非常に有望なナノスケール導波路です。 23]、およびフィルター[24]。したがって、MIMベースのPIT伝送は、光通信、光情報処理、および非線形光学のオンチップアプリケーションで大きな可能性を秘めています。

ここでは、MIM導波路でPIT伝送を取得するための新しい離調共振器構造を提案します。平面構造のデバイスは、2つの離調された三角共振器と1つのバス導波路で構成され、PIT効果を可能にする非対称ボウタイ構造を形成します。導波路内の構造パラメータと媒体に対する透明なピーク波長の高感度で線形の応答により、提案されたデバイスは、PITベースの屈折率センシングを可能にします。コンパクトで作りやすい構造を備えたこのデバイスは、オンチップフォトニック統合において非常に重要である可能性があります。

メソッド

非対称ボウタイ構造の概略図を図1に示します。ここで、青色の背景素材は銀であり、その誘電率は\（{\ varepsilon} _r ={\ varepsilon} _ {\ infty}-のドルーデモデルによって記述されています。 {\ omega} _p ^ 2 / \ left（{\ omega} ^ 2 + j \ gamma \ omega \ right）\）、ε _∞ =3.7、ω _p =9.1eVおよびγ =0.018eV。上記の式でここで採用されたパラメータは、光通信周波数での実験データに適合します[25]。すべてのMIM導波路は空気で満たされています。構造の中央にある長いストリップは、光を伝送するためのバス導波路です。バスの両側では、導波管は蝶ネクタイの共振器です。ボウタイ共振器は非対称であり、高度や角度などの離調した構造パラメータは H で表されます。 _u 、 H _d 、θ ₁ 、およびθ ₂ 。ボウタイの三角形の渦は、バス導波管の中央にあります。したがって、ボウタイ共振器はバス導波管への接続が小さく、それらの間の効率的な結合を可能にします。バス導波路の幅は100nmに固定されており、バス導波路の長さは、伝送損失を除いてPIT伝送スペクトルに影響を与えません。そのため、コンパクトさと一体性を考慮して、長さは1μmに固定されています。バス導波路の両端にある2つのグレーティングは、広帯域または波長掃引光源を注入し、透過スペクトルを収集するためのものです。透過率スペクトルは、散乱境界条件を使用した有限要素法を使用して数値的に計算されました。数値シミュレーションでは、SPの基本的なTMモードを励起するために、ポートによってバス導波路の左側のグレーティングから平面波が注入されました。透過光は、 T として定義されるバス導波路の右側の格子から収集されました。 = P _out / P _in 、ここで P _in =∫ P oavzd S ₁ およびP _out =∫Poavzd S ₂ ; Poavz z です 時間平均電力潮流の成分。構造の透過スペクトルは、入力波長をパラメトリックに掃引することによって取得されます。この非対称ボウタイ構造は、次の手順で製造できます。まず、シリカ/シリコン基板上に厚さ500nmのAg膜を堆積します。次に、500nmの厚さのシリカ膜を堆積します。最後に、EBLとエッチングによってグレーティングを含む必要なパターンを作成します。提案されたアパーチャ結合方式は、エバネッセント結合に基づくデバイスよりも製造要件が厳しくない可能性があり、他の重要なMIMプラズモン構造で効率的な結合を実現するために使用できます。

非対称ボウタイ構造の概略図

結果と考察

通常の長方形の共振器とは異なり、蝶ネクタイの三角形の共振器は、辺の長さだけでなく角度によっても決定されます。そこで、まず、バス導波路に接続された角度が、単一の三角共振器を使用して提案された構造の伝送および共振特性に与える影響を調査します。単一三角共振器の透過スペクトルを図2に示します。共振器の高さはすべて0.8μmに固定されています。三角共振器の頂角はバス導波管に接続されており、バス導波管から三角共振器に電磁エネルギーをサイドカップリングすることができます。したがって、深い透過谷が図2のスペクトルに表示されます。これらの量、帯域幅、および谷の波長は、共振器の構造パラメータによって決定されます。 20°の角度の場合、スペクトルには2つの深い透過谷があります。長波長での共振谷は、縦方向と水平方向でそれぞれ0次と0次です。波長が短くなると、共振器の高さにより、縦方向に1次の定在波ノードが1つ増えます。 40°の角度の状況は20°の状況と似ています。角度が大きくなると、スペクトルにもう1つの共鳴谷が現れます。角度が大きいほど、最頻分布が水平方向に分割され、水平方向に1次の高次モードが形成されます。 80°のより大きな角度の場合、L：0次のモードは水平方向に分割され、L：1次を形成します。 H：第1モード。したがって、角度が大きくなると、波長のシフトと水平方向のモード分布の分割の両方が発生し、高次モードが形成されます。角度の変化によって辺の長さも変化するため、シフト波長は角度と直接の関係はありません。したがって、安定した共振特性を維持するには、小さな角度が推奨されます。

20°の角度での単一三角共振器の透過スペクトル（ a ）、40°（ b ）、60°（ c ）、および80°（ d ）。挿入図は磁場 H _z 共振波長に対応

共振器の高さは、共振特性の重要なパラメータです。共振器の高さが0.8から1.1μmまで変化する単一の三角共振器を備えたデバイスの透過スペクトルを図3aに示します。シミュレーション中に40°のキャビティ角度が選択されました。 1.2〜1.8μmの波長範囲内で、各スペクトルには単一のディップがあります。これは、共鳴谷を意味します。すべての谷の透過率は約0.1です。 H の電磁分布として _z 図3aの挿入図に示されている共振波長と非共振波長では、電磁エネルギーの大部分が共振波長で三角共振器に結合し、注入された広帯域光の他のほとんどの波長はバス導波路を透過します。高さが増加すると、谷の波長は赤方偏移の振る舞いを示します。図3bに示すように、シフト波長は高さに比例し、優れた直線性を備えています。共振波長のシフトは、定在波条件Nλによって説明できます。 _N =2 n _g L 、 N =（1、2、3…）。特定の N の場合 、三角形の共振器の高さが高いと、共振波長の赤方偏移が発生し、高さが低いと、共振波長の青方偏移が発生します。さまざまな角度で、共振波長と高さの関係は同じままであるため、厳しい要件なしで製造が可能になります。

単一三角共振器の伝送特性。 a 高さを変化させた場合の単一三角共振器の透過スペクトル。 b 40°、60°、および80°の角度での高さに対する共振波長の依存性。挿入図は磁場 H _z 共振波長と非共振波長に対応

PIT伝送を実現するには、キャビティ長がわずかにデチューンされた二重共振器間の強い結合が必要です。高さがわずかにデチューンされた三角形の共振器で構成される提案された非対称ボウタイ構造は、共振器間の強い結合を可能にします。二重三角共振器の高さを微調整することにより、単一共振器の禁止帯域に透明な伝送ピークが現れます。図4aに示すように、20°の角度は、波長範囲内に1つの谷のみを維持するように選択され、高さは、光通信のアプリケーション用にPIT伝送帯域が約1.55μmに位置するように細かく選択されました。高さ0.93μmの単一共振器の透過スペクトルは、赤い破線で示されています。その谷は1.47μmにあります。谷の違いとともに構造の違いを導入するために、1.02μmの高さの単一の共振器を使用して前の共振器をペアリングします。スペクトルは青い破線で表され、その谷は1.61μmにあります。次に、対になった共振器内の電磁エネルギーが強く結合し、2つの深い谷と1つの透明なピークを持つ透過スペクトルを形成します。これは黒い実線で示されています。透明なピークは、2つの深い谷の間の中央にあります。これは、単一の共振器では禁止されていた帯域でした。挿入図が示すように、最初の谷では、主要な電磁エネルギーが、上部の共振器ではなく、バス導波路の下の共振器に結合します。 2番目の谷では、代わりに主要な電磁エネルギーが上部共振器に結合します。これらは単一共振​​器のものと非常に似ています。透明なピークでは、約75％の電磁エネルギーがバス導波路を透過し、エネルギーのごく一部のみが非対称ボウタイ共振器に結合して、伝播する電磁エネルギーの透明なバンドを形成します。 ＰＩＴは、異なる角度の非対称ボウタイ構造でも得られることに留意されたい。ただし、谷の波長とピークの波長は角度によって単調に変化しないため、透明なピークの制御が非常に困難になります。さらに、上記のセクションで述べたように、より大きな角度の共振器はマルチモード共振を引き起こし、これはPIT効果の制御に有害です。したがって、この論文では、高さの違いによって引き起こされるPITについてのみ詳しく説明します。提案された非対称ボウタイ構造のPIT効果は、高さに敏感です。光通信波長で透明なピークを維持するために、高さの差がPIT効果に与える影響を調査するために、高さの差が30〜190nmの高さの値のセットをいくつか選択します。図4bに示すように、共振器の高さの値のセットを細かく選択することにより、透明なピークを1.55μmに保つことができます。透明なピークと吸収谷の最大比は10dB以上になる可能性があります。幅と透過率はどちらも高さの違いと正の関係があります。図4cでは、透明バンドの半値全幅（FWHM）は高さの差に比例し、ほぼ線形の動作を示します。これは、図3bの動作と一致しています。金属散逸が存在するため、PIT効果の完全に透過的な伝達は実用的ではありません。ピーク透過率は、最初に高さの差が大きくなるにつれて急速に増加し、次に0.8を超えると安定する傾向があります。

非対称ボウタイ構造のPIT伝送。 a PIT透過スペクトル。 b 高低差を変化させた場合のPIT透過スペクトル。 c 高低差の関数としてのFWHMとピーク透過率

上記のセクションで詳しく説明したように、谷と透明なピークは、共振器とバス導波路内の構造パラメータと媒体材料によって決定されます。したがって、提案された非対称ボウタイ構造におけるPITベースのセンシングは実行可能です。以前は、バス導波管と共振器は空気で満たされていました。これは空であることを意味し、液体の容器として使用できます。シミュレーションでは、バス導波路と共振器は液体で満たされています。その屈折率は1.30から1.40まで変化し、水、アセトン、メチルアルコール、エチルアルコール、プロピルアルコール、グルコース溶液などのさまざまな一般的な液体をカバーします[26]。図5aに示すように、透明なピークは、液体の屈折率の増加に伴って赤方偏移を示します。各ピークは明確に区別でき、ピークの透過率はほぼ安定しています。図5bでは、50 nm、70 nm、90 nm、120 nm、および150nmの高さの差に対する屈折率としてのピーク波長の関数は正比例しています。波長シフトは優れた直線性を持っています。高さの差について計算された感度はすべて1140nm / RIUにほぼ等しく、対応する検出分解能は8.8×10 ^-5 です。 RIU。そのため、非対称ボウタイPITベースのセンサーは、非常に高い感度と製造偏差に対する優れた耐性を備えています。

PITベースのセンシングプロパティ。 a 屈折率が80〜120nmの範囲で変化する90nmの高さ差の透過スペクトル。 b さまざまな高さの違いに対するピーク波長の屈折率への依存性

結論

PIT効果を実現するために非対称ボウタイ構造を提案しました。異なる構造パラメータを持つ共振器の透過特性は、有限要素法を使用して数値的に計算されました。離調された三角共振器間の強い結合により、単一共振器の禁止帯域で透明な伝送帯域を得ることができます。 3次元すべてが自由空間波長よりも小さいため、このデバイスはシンプルで超コンパクトな構造になっています。このデバイスは、製造偏差に対する優れた耐性も備えているため、厳しい要件なしで簡単に製造できます。さらに、提案された非対称ボウタイ構造を使用して、PITベースのセンシング特性が実証されました。このデバイスは、1140 nm / RIUの最大感度を達成できます。対応するセンシング解像度は8.8×10 ^-5 です。 RIU。感度は、さまざまな高さの違いに対して優れた直線性と一貫性を備えています。したがって、提案された非対称ボウタイ構造は、オンチップEITのようなデバイスと屈折率センサーのための新しいプラットフォームを提供します。

データと資料の可用性

データセットは制限なしで利用できます。

略語

EIT：

電磁誘導透過性

FWHM：

半値全幅

MIM：

金属-絶縁体-金属

PIT：

プラズモンによる透明性