二重ずらし金属グレーティングを用いた高効率二色性光ダイオード

概要

二つのずらした平行金属グレーティングからなる光ダイオード構造を提案し、数値的に検討しました。この構造では二色性光ダイオード伝送が実現され、つまり逆伝送方向に対応する二つの波長帯で光ダイオード効果が観測されます。構造では、異なるグレーティング定数を持つ二つの平行金属グレーティングが、間に挟まれた誘電体スラブで分離されています。最初に照明されるグレーティングは、適切な波長で表面プラズモンを励起するセレクタとして機能。もう一方のグレーティングはエミッタとして光伝送を実現します。入射方向が逆になると、二つのグレーティングの役割が入れ替わり、別の波長で表面プラズモンが励起されます。二色性伝送波長帯では、光ダイオード構造は異常伝送を示し、高い光アイソレーション（最大1）を持ちます。さらに、構造パラメータを変更することで動作波長帯を変調可能です。

はじめに

光ダイオードは、光子を一方向に伝送し、逆方向を遮断する単方向伝送特性により大きな注目を集めています。光ダイオード現象は、光-物質相互作用の時間反転対称性が破れるときに観測されます。外部磁場、バイアス電圧、音響波、時間依存変調などで光ダイオード効果を実現できます。また、空間反転対称性を破る構造、例えば非対称多層構造、非対称フォトニック結晶、非対称グレーティングも選択肢です。近年、ナノスケール金属構造は表面プラズモン（SP）の有望な特性により注目され、メタサーフェスホログラフィ、屈折率センサ、フィルタなど多くの分野でプラズモニックデバイスが提案されています。プラズモニックデバイスはナノスケールでの電磁場相互作用を強力に制御でき、周囲誘電環境や金属構造の幾何学的パラメータ変更でSPを変調可能です。ナノスケール金属構造で構成される光ダイオード、例えばプラズモニック層サンドイッチグレーティング、カスケードプラズモニックグレーティング、プラズモニックナノホール、プラズモニックスロット導波路、プラズモニックナノ粒子凝集体などが、光情報処理目的で広く研究されています。

本論文では、誘電体スラブを挟んだ二つのずらした平行金属グレーティングで二色性光ダイオード伝送を実現しました。狭いスリットを持つ金属グレーティングは異常光伝送を示し、非対称構造が単方向伝送を実現するため、逆伝送方向を持つ二つの動作波長帯で伝送増強と高アイソレーション対比が同時に達成されます。照明順序に従い、異なるグレーティング定数を持つ二つの金属グレーティングがセレクタとエミッタとしてそれぞれ機能。セレクタはSPを励起して共振波長を選択し、SPの寄与でエミッタが光伝送を実現。入射方向が逆になると、二つのグレーティングの役割が交換され、別の波長でSPが励起されます。したがって、二色性光ダイオード伝送が得られます。提案構造の厚さはわずか160 nm。ナノ加工技術の発展により、紫外ナノインプリントリソグラフィ、レーザー直接描画リソグラフィ、電子ビームリソグラフィなど多くの手法が金属グレーティング構造の作製に適用可能。光ダイオード特性は入射強度に依存しません。これらの特性は、本構造が光集積への広範な応用可能性を持つことを示唆します。

方法

光ダイオード構造の模式図を図1に示します。構造は、シリカ層を挟んだ二つの銀グレーティングG₁とG₂で構成。シリカ層厚をdと表記。G₁とG₂は同一スリット幅s、同一厚さh、異なるグレーティング定数Λᵢ（i=1,2）を持ちます。構造は並進対称で、単位格子はG₁の2単位とG₂の3単位を含みます。Δは単位格子内でのG₁とG₂の横方向相対位置を表します。銀の誘電関数にはドゥルーデモデルを使用。シリカの屈折率は1.5（分散無視）。周囲誘電体は空気（屈折率1）。正入射p偏光平面波で光ダイオード効果を検討。

光ダイオード構造の模式図。a 単位格子。b 全体図

光ダイオード構造の透過率Tは以下で定義：

ここでP_iは入射パワー、P_oは出力パワー。Tは有限差分時間領域（FDTD）法で数値シミュレーション。左右に周期境界条件、上下に完全整合層境界を適用。T_DとT_Uはそれぞれ下向き入射と上向き入射の透過率。光ダイオード特性はアイソレーション対比ηで記述：

したがって、η=1が最高の光ダイオード性能を意味します。

結果と理論的分析

光ダイオード構造の透過率とアイソレーション対比を図2に示します。入射波長がλ_C未満のときT_D≠T_U。λ_D（1315 nm）でT_Dが最大値0.73、T_Uは3.7×10⁻³。λ_U（921 nm）でT_Uが最大値0.82、T_Dは3.6×10⁻⁴。λ_Dとλ_Uでのアイソレーション対比はそれぞれ0.990と0.999。図2は、λ_D付近とλ_U付近で光ダイオード効果が得られ、二つの波長帯が逆伝送方向を持つことを示します。二色性ダイオード動作波長帯では、構造は異常伝送を示します。

d=200 nm、s=h=50 nm、Λ₁=900 nm、Λ₂=600 nm、Δ=0 nmの光ダイオード構造の透過スペクトルとアイソレーション対比

二色性光ダイオード伝送の理解のため、二つの動作波長帯での電場強度|E|²をシミュレーション。図3a、dに示すように、光が光ダイオード構造を透過する際、二つのグレーティング間で電場が増強されます。一方、図3b、cは逆ブロッキング状態。二つのグレーティング間の電磁場増強は、二つの隣接銀/シリカ界面でのSPによるもの。二つのグレーティングでのSPのタイプは異なり、構造化表面プラズモン（SSP）と誘起表面プラズモン（ISP）に分類されます。SSPは最初に照明されるグレーティング（セレクタ）で励起・生成。ISPは、SPPと隣接銀/シリカ界面の結合によって後方のグレーティング（エミッタ）で誘起されます。SSPとISPにより、光は光ダイオード構造を透過します。

下向き入射λ_D=1315 nm（a）、上向き入射λ_D=1315 nm（b）、下向き入射λ_U=921 nm（c）、上向き入射λ_U=921 nm（d）での電場強度|E|²分布

銀/シリカ界面での表面電荷密度と電場のE_y成分分布を図4に示し、SP結合機能を明らかにします。図4aでは、下向き入射条件下でG₁とG₂の隣接面に反対電荷が分布し、平板コンデンサに類似。G₁がセレクタとしてλ_DでSSPを励起。周期的表面電荷密度分布はSPPがG₁のグレーティング定数で決まることを示唆。G₂はSPPによって誘起されるISPを支持し、伝送のためのエミッタとして機能。図4bに示すように、SPPとISPの結合によりG₁とG₂間のE_yが増強。上向き入射条件（図4c、d）では、G₂がセレクタ、G₁がエミッタとして機能。

下向き入射λ_D=1315 nm（a）と上向き入射λ_U=921 nm（c）でのG₁とG₂の銀/シリカ界面上の表面電荷密度。下向き入射λ_D=1315 nm（b）と上向き入射λ_U=921 nm（d）での電場E_y成分分布

図4からわかるように、伝送場は水平（x軸）方向に周期的かつ非一様。伝送場分布の周期Λ（Λ=2Λ₁=3Λ₂）は積分光ダイオード構造によって変調され、2π/Λ=|g₁-g₂|を満たす（g_iはG_iのグレーティングベクトル）。グレーティング回折効率はSPの存在で増加。透過光の横波ベクトルκはg₁とg₂の重ね合わせから導かれます：

これがT_D≠T_Uとなる臨界波長λ_C（λ_C=2π/|κ|）を決定。式(3)より、上記構造でλ_C=1800 nmとなり、図2のシミュレーション結果λ_C=1806 nmとよく一致。光ダイオード効果はλ≤λ_Cの範囲で出現。シミュレーション結果では、積分グレーティングの周期（1800 nm）がダイオード動作波長（1315 nm、921 nm）より大きい。積分グレーティングからの光散乱で多次回折成分が得られるため、伝送場はグレーティングに平行な方向でも遠方場で一様ではありません。

銀グレーティングのSSPは、平面銀/シリカ界面上のSPに類似ですが、SSPは放射モードであり、SPは完全表面束縛モードです。グレーティングのスリットが極めて狭い場合、SSPを平面銀/シリカ界面上のSPで近似できます。したがって、SSPの分散関係は次のように書けます：

ここでk₀は自由空間波ベクトル、ε_mとε_dはそれぞれ銀とシリカの誘電係数。式(4)で記述される分散関係を図5に示します。本論文で使用したドゥルーデモデルパラメータによる分散曲線は、光子エネルギー2.75 eV未満（λ>450 nm）でJohnsonとChristyの光学定数データによる曲線とよく一致。図5の垂直赤と黒の破線は|g₁|と|g₂|を表します。ベクトルマッチング条件が満たされると、グレーティングによってSSPが励起されます：

ドゥルーデモデルとJohnsonとChristyの光学定数データで計算した平面銀/シリカ界面上のSP分散。垂直赤と黒の破線はグレーティングベクトルモジュラス|g₁|と|g₂|を表す

正入射（θ=0°）では、グレーティングの一次回折（N=1）が最高の回折効率、つまりSSP励起の最大効率を持ちます。したがって、式(5)は図5の赤と黒の点で満たされます：

光ダイオード構造では、下向き入射でG₁がセレクタとしてSSPを励起、上向き入射でG₂がセレクタ。G₁とG₂は異なるグレーティング定数を持つため、逆入射方向で異なる波長でSSPが励起されます。図5で、赤点の光子エネルギーは0.91 eV、波長1365 nmで、図2のλ_D（1315 nm）に対応。同様に、黒点の光子エネルギーは1.04 eV、波長924 nmで、図2のλ_U（921 nm）に対応。グレーティングを平板で近似するため、式(4)と(6)で計算したSSP共振波長は、図2のFDTDシミュレーション結果と完全には一致しません。

式(5)は入射角θがグレーティングからSSPへの波ベクトルマッチング条件に影響することを示します。θを変化させたときのλ_D（1315 nm）とλ_U（921 nm）での透過率とアイソレーション対比をシミュレーションし、図6a、bに示します。θが0°から10°に増加すると、g_iとSSPの波ベクトルミスマッチにより、λ_DでのT_Dとλ_UでのT_Uが減少（λ_DでのT_Dはθ≈40°で0に、λ_UでのT_Uはθ≈35°で0に）。入射角範囲0°≤θ≤5°では、λ_UでのT_Dとλ_DでのT_Uはほぼ0で、ηは両波長で常に0.98以上を維持。図6は、小角度入射下でλ_Dとλ_Uにおいて構造が良好な光ダイオード効果を示すことを実証。

入射角がλ_D=1315 nm（a）とλ_U=921 nm（b）での透過率とアイソレーション対比に与える影響

調査と考察

この節では、構造パラメータが透過スペクトルとアイソレーション対比に与える影響を調査します。

層間厚さdとグレーティング横方向相対位置Δは製造精度によって制限されます。dとΔの透過スペクトルとアイソレーション対比への影響を図7と図8に示します。図7は、d増加時にダイオード動作波長帯がわずかに赤方シフトすることを示します。一方、T_Dの最大値はほとんど減少しませんが、T_Uの最大値は大幅に減少。d増加は構造内の光伝送距離を延ばし、G₁とG₂間の電磁相互作用を弱め、エミッタ表面の誘起電荷密度を損ないます。図4で見られるように、エミッタのスリットコーナーに分布する電荷が伝送場の電気双極子源として働きます。エミッタG₂のスリットコーナー電荷密度（図4a）はエミッタG₁のそれよりはるかに大きいため（図4c）、dはT_Dの最大値よりもT_Uの最大値に大きく影響します。また、d増加に伴い、T_UにFP₁とFP₂とマークされた小さなピークが出現し、FP₁の透過ピークは大きな赤方シフトを示します。電場強度|E|²分布から、FP₁とFP₂がファブリ-ペロ共鳴由来であることが証明されます。

dが透過スペクトルとアイソレーション対比に与える影響。d=220 nm（a）、240 nm（b）、260 nm（c）（s=h=50 nm、Λ₁=900 nm、Λ₂=600 nm、Δ=0 nm）。インセットは上向き透過共鳴の電場強度|E|²分布

Δが透過スペクトルとアイソレーション対比に与える影響。Δ=50 nm=Λ₂/12（a）、100 nm=Λ₂/6（b）、150 nm=Λ₂/4（c）（d=200 nm、s=h=50 nm、Λ₁=900 nm、Λ₂=600 nm）。（b）のインセットは上向き透過共鳴のE_y分布

図1のように、光ダイオード構造は周期的で、Δ=a±MΛ₂/2（0

理論分析によれば、グレーティングパラメータを最適化することで、一定範囲でダイオード動作波長帯を得られます。図9は、構造パラメータd=100 nm、Λ₁=450 nm、Λ₂=300 nm、s=h=30 nm、Δ=0 nmで可視光領域での二色性光ダイオード伝送が達成されることを示します。二色性ダイオード伝送波長帯の最大透過率は、上向き入射で522 nm（80%）、下向き入射で732 nm（71%）、対応するアイソレーション対比ηは0.998と0.993。

d=100 nm、Λ₁=450 nm、Λ₂=300 nm、s=h=30 nm、Δ=0 nmの光ダイオード構造の透過スペクトルとアイソレーション対比

さらに、単位格子の構成要素も光ダイオード現象に影響します。式(5)によれば、ダイオード効果の波長帯はΛ₁とΛ₂に依存。本研究では、G₁の2単位とG₂の3単位からなる単位格子（2Λ₁=3Λ₂）を選択し、光ダイオード波長帯で高透過率と良好なアイソレーション対比を同時に取得。例えば、図10はG₁の3単位とG₂の4単位からなる単位格子を持つ光ダイオード構造の二色性伝送を示します。光ダイオード効果は530 nm（T_U=72%）と659 nm（T_U=76%）で得られます。二つの波長でのアイソレーション対比は0.912と0.987に低下。これは|g₁|と|g₂|の差が小さく、セレクタとして機能するグレーティングが両グレーティングのSSPを異なる効率で励起するため。また、Λ₁=2Λ₂のとき、G₂の一次回折によるSP透過共鳴が、2g₁=g₂のためG₁の二次回折でも励起され、アイソレーション対比を低下させる。したがって、良好な光ダイオード特性には、二つのグレーティング定数が十分な差を持ち、整数倍関係を避ける必要があります。

単位格子にG₁の3単位とG₂の4単位を含む光ダイオード構造の透過スペクトルとアイソレーション対比。d=100 nm、Λ₁=400 nm、Λ₂=300 nm、s=h=30 nm、Δ=0 nm

結論

二つのずらした平行銀グレーティングとシリカ中間層からなる構造で、SPベースの二色性光ダイオード伝送を実現。最初に照明される金属グレーティングがSSPを励起して伝送波長帯を選択、もう一方の金属グレーティングが表面電子振動で電磁エネルギーを前方へ放出。光の入射方向が逆になると、二つのグレーティングの役割が交換され、もう一つの光ダイオード伝送波長帯が出現。光アイソレーション比はほぼ1に達する。光ダイオード伝送波長帯は構造パラメータ変更で異なる領域に調整可能。光ダイオード動作波長帯と透過率は入射強度に依存しない。構造厚さは数百ナノメートルのみ。これらの特性は、集積回路への幅広い応用を提供します。

略語

ISPs:

誘起表面プラズモン

SPs:

表面プラズモン

SSPs:

構造化表面プラズモン