二層グラフェンハイブリッド導波路に基づく調整可能なデュアルバンドおよび偏波に影響されないコヒーレント完全吸収体

はじめに

ナノフォトニクスとオプトエレクトロニクスの重要な問題として、効率的な光と物質の相互作用は、特に原子的に薄い2次元（2D）材料において、近年広く懸念を引き起こしています[1、2]。遷移金属ジカルコゲナイド（TMDC）[3、4]、グラフェン[5,6,7,8,9]、六方晶窒化ホウ素[10]、黒リン[11]など、多くの報告が実証されています。 。グラフェンは、典型的な2D材料として、広い（紫外線からテラヘルツ）波長範囲の光と相互作用することができます。しかし、その自然なギャップのない円錐形の電子バンド構造[12]により、グラフェンの光の吸収効率は約2.3％と低くなっています。幸いなことに、グラフェンの光学バンドギャップは、ドーピングまたは他の特別な方法を使用することによって開くことができ、その結果、テラヘルツおよび赤外線バンドで表面プラズモンポラリトン（SPP）が励起されます[13]。次に、励起されたSPPにより、グラフェンへの光の吸収と閉じ込めを大幅に強化できます。これにより、グラフェンと光の相互作用時間が長くなる可能性があります[14、15、16、17、18、19]。したがって、グラフェンプラズモンデバイスは興味深く重要なトピックになり、吸収体[17、18]、光学フィルター[20]、センサー[21]、変調器[22]、光検出器などのさまざまな分野で広範な研究が実証されています。 [23、24]。

より具体的には、グラフェンに基づくこれらのデバイスの中で、光吸収体は、太陽エネルギートラップデバイスやエミッターなどの高度なオプトエレクトロニクスデバイスの開発の分野で重要な役割を果たします。最近、グラフェンのユニークな属性のために、グラフェンに基づくいくつかの吸収剤が報告されています。さらに、前述のように、これらの吸収体のほとんどはテラヘルツおよび赤外線領域に焦点を合わせています。これは、特殊なプロセスを持つグラフェンがSPPを励起し、これらの波長で強い光-グラフェン相互作用を引き起こす可能性があるためです[3]。たとえば、グラフェンに基づいて、Luo etal。 [25]は、広角入射下で満足のいく性能を維持できる超狭帯域の調整可能な完全吸収体を提案しました。参考文献で。 [16]、メタマテリアルに単層グラフェンを埋め込むことにより、Xiao etal。 EITアナログはテラヘルツ領域で実現され、その共鳴強度は広範囲にわたって柔軟に操作できることを実証しました。江ら。 [26]テラヘルツ領域のパターン化グラフェンに基づく広帯域吸収体を設計、製造、調査し、90％を超える吸収が1.54〜2.23THzで達成されました。グラフェンの表面プラズモンを効果的かつ実行可能な方法で操作するために、Xia etal。サブ波長サイズの導電性正弦波格子を使用することで実現できることが示唆されました[19]。

重要なことに、グラフェンの光吸収を制御および強化する別の方法であるコヒーレント完全吸収体（CPA）は、全光変調機能のために大きな注目を集めています[27、28]。干渉効果と吸収の相互作用に応じて、CPAは非線形性のない光で光を操作するための潜在的な方法を提供します。 Y. D. Chong etal。散乱行列を使用してCPAを理論的に調査しました[29]。やがて、シリコンスラブ[30]と平面メタマテリアル[31]で2種類のCPAが連続して報告されました。最近、CPAはグラフェンベースのデバイスでも集中的に研究されています。たとえば、中心対称性の金属-グラフェンナノ構造と組み合わせて、Y。Ningetal。 [32]は、調整可能な偏光に影響されないCPAを調査し、吸収がグラフェンのフェルミエネルギーと入射光間の相対位相によって柔軟かつ全光学的に変調できることを示しました。サブ波長誘電体格子にガイドモード共振をトラップすることにより、X。Fengetal。 [33]は、調整可能なグラフェンベースのCPAを実現しました。これは、可視から赤外線の領域まで幅広いスペクトル範囲に適用できます。 Y. C. Fan etal。 [34]中赤外領域で、グラフェンナノリボンベースのメタ表面をCPAに利用し、グラフェンの特性とメタ表面の構造パラメーターを変更することで、このCPAを柔軟に操作できることを実証しました。ただし、デュアルバンドグラフェンベースのCPAは、ナノフォトニクスおよびオプトエレクトロニクスデバイスにとっても非常に重要ですが、中赤外領域で調査されることはめったにありません。さらに、その調整可能性をどのように改善するかも、デュアルバンドCPAが直面している課題です。

この論文では、2層グラフェン導波路に結合されたシリコンアレイを含む、中赤外帯域での調整可能なデュアルバンドおよび偏光に影響されないCPAを設計および研究します。設計されたCPAの物理的メカニズムは、散乱行列によって分析されます。一方、提案されたCPAの機能は、有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションによって示されます。入射光がシリコンアレイに照射されると、ガイドモード共鳴のメカニズムにより二重連続グラフェン膜のプラズモン共鳴が発生する可能性があるため、それらの間の結合効果により、完全なデュアルバンド吸収ピークが得られます。これは、それぞれ9611nmと9924nmで達成されます。さらに、その中心対称の特徴のために、提案された吸収体はまた、偏光に影響されないことを示す。さらに、報告されているグラフェンベースの吸収体のほとんどは、静電界、磁界、または化学ドーピングによってグラフェンの特性を変更するだけで操作されます。これは、追加の損失の原因であり、デバイスをより複雑にします。提案されたCPAの場合、2つの逆入射光間の相対位相を変更することにより、コヒーレント吸収を全光学的に変調できます。これにより、吸収体の調整可能性が向上し、構造の複雑さが増すことはありません。一方、2つのグラフェン層のフェルミエネルギーを操作することにより、2つのコヒーレント吸収ピークが広いスペクトル範囲を移動でき、設計されたCPAをデュアルバンドCPAからナローバンドCPAに変更することもできます。したがって、私たちの仕事は、スイッチ、全光論理デバイス、コヒーレント光検出器などの潜在的なアプリケーションに便利で感度の高い非常に有望な方法を提供します。

メソッド

図1に示すように、シリカ基板上には2つの連続したグラフェン膜があり、これらはシリカ層によって分離されています。一方、シリコンアレイは上部グラフェン膜の上に配置されます。ここで、長さ（ x -方向）と幅（ y -方向）アレイ内のすべてのシリコンスクエアの両方が w として設定されます =80 nm、図1cに示すように。一方、 x のシリコンの正方形の両方の期間 -方向と y -方向は p です =160 nm、および厚さ（ z 方向）シリコンスクエアの h =100nm。さらに、シリカスペーサーと基板の厚さは d です。 ₁ =75nmおよび d ₂ =それぞれ150nm。 私 ₁ および私 ₂ 、2つのコヒーレント入射光として、図1aに示すように、提案されたCPAに2つの反対方向から同時に照射されます。 I との関係 ₁ および私 ₂ 私です ₂ =αI ₁ exp（iφ + ikz ）、ここでα 、φ 、および z I 間の相対的な振幅、位相差、および位相基準点です。 ₁ および私 ₂ 、 それぞれ。 O ₁ および O ₂ 提案されたCPAの下部と上部から散乱する出現光です。さらに、シミュレーションでは2つのグラフェン膜の厚さを両方とも0.34 nmに設定し、2つのグラフェン膜の導電率を両方とも次のように局所乱雑位相近似内で計算します[35]：

ここで T =300Kは室温で、 E _f フェルミエネルギーです。一方、固有の緩和時間は\（\ tau =\ mu {E} _f / \ mathrm {e} {\ upsilon} _f ^ 2 \）として記述されます。ここで、υ _f はフェルミ速度とμです =10000cm ² V ^-1 s ^-1 キャリアの移動度です。提案する構造では、上部と下部のグラフェン膜のフェルミエネルギーを E と仮定します。 _{f 1} =0.66 eV および E _{f 2} =0.31 eV それぞれ。

a デュアルバンドグラフェンベースの完全吸収体の概略図。 b 指定された寸法の側面図。 c 寸法が指定された上面図

シミュレーションでは、数値計算に3DFDTD法を使用します。一方、周期境界条件は x に沿って適用されます -および y -方向、および完全一致レイヤーが z に沿って適用されます -提案されたデバイスの上部と下部の両方を含む方向。さらに、不均一なメッシュを利用してシミュレーション結果を計算します。グラフェン層の内側の最小メッシュサイズは0.1 nmに等しく、グラフェンフィルムの外側で徐々に大きくなり、ストレージスペースと計算時間を削減します。

結果と考察

まず、物理的なメカニズムを明確に説明するために、1つの入射ビームのみの通常の照明下で提案されたCPAの吸収を調査します I ₁ z で -方向。グラフェンベースのCPAは対称環境にあるため、反射係数と透過係数の組み合わせは r として表すことができます。 =η および t =1 + η 、それぞれ、ここでη は、グラフェンハイブリッド導波路に関連する自己無撞着な振幅です。したがって、吸光度は A として導出されます。 =1 − | r | ² − | t | ² =− 2 η ² − 2 η 。最大吸収の条件は∂Aです。 / ∂η =0（∂A ² / ∂η ² は実数で負です）、\（\ eta =-\ frac {1} {2} \）を取得します。その場合、最大吸収の限界は A です。 _max =0.5。私たちのシミュレーションでは、1つの入射ビームのみ I ₁ 誘導モード共鳴のメカニズムのためにシリコンアレイを通る入射光によって現れる二重グラフェン膜上のプラズモン共鳴のために、提案された吸収体を垂直に照らし、次に二重グラフェン膜間の結合効果が二重につながる-図2に示すように、バンド吸収ピーク。ただし、2つの吸収ピークは両方とも0.5未満であり、吸収限界と一致します。

フェルミエネルギーを使用して提案されたグラフェンベースの吸収体の反射（R）、透過（T）、および吸収（A）スペクトル E _{f 1} =0.66eVおよび E _{f 2} =0.31 eV 1つの入射ビームのみの照明下 I ₁ z で 方向

次に、 I ₁ および私 ₂ 提案された構造物に反対側から垂直に入射する場合の概略図を図1aに示します。一方、 O ₁ および O ₂ 提案されたCPAの下部と上部からの入射光の強度としても想定できます。入射光と入射光の関係は、散乱行列によって示されます。

インコヒーレント吸収限界が満たされたとき（つまり、 r ₁₁ = r ₂₂ =−0.5および t ₁₂ = t ₂₁ =0.5）、 I の関係を考慮して ₂ =αI ₁ exp（iφ + ikz ）with z =0、コヒーレント吸収 A _{co <​​/ sub> 提案されたグラフェンベースのCPAは、[36]：}

したがって、式によると。 （3）、 A _{co <​​/ sub> αを変更することで操作できます およびφ 。特に、αの場合 =1、 A co <​​/ sub> 最小の A から調整できます co − min =0から最大値 A co − max =1 φの場合 （2 N + 1）π 〜2 Nπ 。}

図3に示すように、φの2つの入射光が =0およびα =1は提案された構造にコヒーレントに照射され、λでデュアルバンドの完全な吸収ピークを達成できます。 ₁ =9611nmおよびλ ₂ =9924 nm、それぞれ。さらに、1つの入射ビームのみの照射下での吸収と比較して、提案されたグラフェンベースのCPAの吸収は大幅に強化されています。その中心対称機能のために、提案されたCPAは偏光に影響されないことも示していることは注目に値します。図3に示すように、インシデントが p で点灯するかどうか または s 偏光、吸収スペクトルは同じままです。

提案されたグラフェンベースの吸収体の吸収スペクトルは、1つの入射ビームのみの照明（赤い曲線）、および p のコヒーレント照明下にあります。 分極（青い曲線）とs分極（黒い曲線）

提案されたCPAの特徴を明確に示すために、吸収ピークの波長での2層グラフェン導波路の周りの磁場を示します。図4a、bで説明されているように、2つのグラフェン層の周りの磁場は両方とも集められ、吸収ピークの波長でトラップされます。ただし、上部グラフェン膜の場合、磁場は主にシリコンの正方形と上部グラフェン膜の間に閉じ込められ、局在プラズモンモードに対応します。さらに、上部のグラフェン膜の下に別のグラフェン膜が追加されると、ガイドモード共振により、光エネルギーが上層から下層に移動します。次に、上部グラフェン層と下部グラフェン層の間の結合効果により、光場が強化され、提案された構造に光エネルギーが集中します。これにより、図3に示すように、デュアルバンド吸収ピークが得られます。図4cに示すように、9000 nmの波長では、共鳴波長から遠く離れているため、2つのグラフェンフィルムを取り巻く強化された光場はほとんどありません。

提案されたグラフェンベースのCPAの正規化された磁場の輪郭プロファイル（ a ）λ ₁ で =9611 nm、（ b ）λ ₂ =9924 nm、および（ c ）λ ₃ =9000 nm

次に、全光変調特性を表示するために、位相差が異なる提案された吸収体のコヒーレント吸収を示しますφ 、図5に示すように。一方、相対振幅α コヒーレント入射光の数を1に設定し、その他の構造パラメータは図1と同じに保ちます。図5a、bに示すように、φを大きくすることで 0からπまで、9611nmと9924nmの2つの吸収ピークは、それぞれ0.982と0.993からほぼ0まで連続的に減少します。したがって、変調コントラストは、φが異なる2つのコヒーレント吸収ピークで34.8dBおよび35.2dBに達する可能性があります。 、これは重要な全光変調特性を示しています。

a のピークで異なる位相差を持つ提案されたCPAの吸収 λ1=9611nmおよび b それぞれλ2=9924 nm

以下では、連続境界条件とマクスウェル方程式を組み合わせた4層（シリコンアレイ-グラフェン導波路/シリカ層/グラフェンフィルム/シリカ基板）システムの場合、分散関係は[37]として表すことができます。

ここで、ε _i および k _i （ i =1、2、3、4）は、シリコンアレイ-グラフェン導波路（ i ）の誘電率と波数ベクトルです。 =1）、シリカ層（ i =2）、グラフェンフィルム（ i =3）、およびシリカ基板（ i =4）、それぞれ。 d _g はグラフェンの厚さです。したがって、2つのグラフェン膜のフェルミエネルギーを適切に操作することにより、2つのグラフェン膜によって維持されるプラズモンモードの特徴を大幅かつ独立して制御することができます。図6a、bに示すように、提案されたCPAの吸収スペクトルは、下層または上層のグラフェン膜のフェルミエネルギーを変更することにより、柔軟かつ個別に操作できます。フェルミエネルギー E _{f 1} 上層グラフェンの量は変化せず、フェルミエネルギー E _{f 2} 下層グラフェンの吸収ピークは0.31から0.27eVに減少します。これはλの吸収ピークです。 ₁ λに吸収ピークがある間、赤シフトして値をほとんど変化させません。 ₂ 急速に減少し、 E の下でも消えます _{f 2} =0.27eV、図6aに示すように。逆に、 E _{f 2} λの吸収ピークである0.31から0.37eVに増加します。 ₁ E の下では急速に減少し、ほとんど消えます _{f 2} =0.37 eV、λでの吸収ピーク ₂ 青にシフトし、値をほとんど変更しないようにします。したがって、 E を個別に変更することにより、デュアルバンドで提案された完全吸収体を狭帯域完全吸収体に変更できます。 _{f 2} 。一方、 E の場合 _{f 2} 変更されず、 E _{f 1} 0.62から0.72eVに増加し、2つの吸収ピークの両方がブルーシフトし、広い波長範囲にわたってそれらの値をほとんど変化させないようにします。これは、大幅に調整可能な特性を示しています。離散グラフェンパターンに基づく他の吸収体と比較して、提案されたCPAの2つのグラフェンフィルムが連続形態であり、優れた調整可能性を得るのにより便利であることに注意する価値があります。

a の波長とフェルミ準位の関数としての吸収スペクトル 下層グラフェンと b 上層グラフェン。その他の構造パラメータは図1と同じです

さらに、図7に示すように、提案されたCPAの光吸収に対するさまざまな構造パラメータの影響を調査します。各シリコンスクエアは、局在プラズモンモードのファブリペロー共振器として機能し、共振波長は非常に敏感であるためです。シリコンの正方形の幅に。したがって、図7aに示すように、 w が増加すると、局在プラズモンモードの有効共鳴波長の増加により、デュアルバンド吸収ピークが両方とも赤方偏移します。さらに、充填率は w とともに増加します 、これは、隣接するシリコンスクエアとグラフェン内部との間の電界増強と集中の強度をさらに強化します。したがって、吸収効率は最初に w とともに増加します。 。ただし、充填率が連続的に増加すると、グラフェンの多くの領域がシリコンの正方形で覆われることになります。その結果、吸収効率はその後、wの増加とともに低下します。次に、図7bに示すように、吸収ピークも p の増分で著しく赤方偏移します。 、局在プラズモンモードの共鳴波長が大きくなるためです。さらに、下層グラフェンによってサポートされるプラズモンモードの共振周波数は、分離距離 d に強く依存することに注意してください。 ₁ 。図7cに示すように、 d の場合 ₁ が増加すると、上層と下層の共振モード間の近接場結合強度がますます弱くなり、デュアルバンド吸収ピークが最終的に1つのピークに縮退します。一方、異なる誘電体アレイで提案されたCPAの吸収についても調査します。図7dに示すように、デュアルバンドCPAのパフォーマンスとTiO ₂ 配列（ n _T =2.9）またはGaSbアレイ（ n _G =3.8）はシリコンアレイを使用したものよりも優れていません。さらに、吸収ピークの波長は、誘電体アレイの屈折率の増加に伴って赤方偏移することに注意してください。

異なる a で提案されたCPAの吸光度 p 、 b w 、 c d ₁ 、および d それぞれ異なる誘電体アレイ。その他のパラメータは図2と同じです

結論

前述のように、報告されているほとんどのグラフェンベースの完全吸収体は偏光に敏感で、狭帯域または広帯域の完全吸収体に焦点を当てています。デュアルバンドグラフェンベースの完全吸収体は、中赤外線領域ではほとんど調査されません。この論文では、中赤外領域で調整可能なデュアルバンドおよび偏光非感受性CPAを設計し、対応する吸収特性について、散乱行列とFDTDシミュレーションを使用して説明します。これは、デュアルバンド完全吸収ピークがそれぞれ9611nmと9924nmで達成されました。さらに、その中心対称機能により、提案されたCPAは偏光に影響されません。一方、コヒーレント吸収ピークは、2つの逆入射光間の相対位相を変更することで全光学的に変調できます。さらに、2つのグラフェン層のフェルミエネルギーを操作することにより、2つのコヒーレント吸収ピークが広いスペクトル範囲を移動でき、設計されたCPAをデュアルバンドCPAからナローバンドCPAに変更することもできます。一方、提案されたCPAの場合、シリコンスクエアに基づくサブ波長メタマテリアルを現在のCMOSテクノロジに統合でき、化学蒸着（CVD）で成長したグラフェンを標準の転写技術を使用してシリカ層に転写できます[38]。さらに、パターン化されたグラフェンに基づくデバイスと比較して、私たちの構造はグラフェンを連続的な形に保ちます。これは、グラフェンの高い移動度を維持し、製造プロセスとドーピング構成を簡素化するという利点があります。近年、いくつかの研究グループは、上記の方法に基づいた実験でいくつかのグラフェンベースのデバイスを設計しようとしました[39、40、41]。したがって、提案された構造を同様の処理で製造することは可能であり、提案されたグラフェンベースのCPAは、中赤外領域でのナノフォトニックデバイスの開発の分野でいくつかの潜在的なアプリケーションを見つけることができます。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事に含まれています。

略語

2D：

二次元

CPA：

コヒーレントパーフェクトアブソーバー

FDTD：

有限差分時間領域

ITO：

インジウムスズ酸化物

SPP：

表面プラズモンポラリトン

TMDC：

遷移金属ジカルコゲニド