不对称领结结构中的等离子体诱导的透明度

背景

由三级原子系统中两条路径之间的量子相消干涉引起的电磁诱导透明 (EIT) 效应 [1, 2]，在慢光传播 [3, 4]、非线性光学 [5] 和光存储[6]。在 EIT 系统中，量子干涉效应减少了窄光谱区域内的光吸收，在宽吸收曲线内产生近乎完美传输的尖锐共振 [7]。然而，EIT 效应对原子运动引起的展宽非常敏感。 EIT效应的实现需要稳定的气体激光器和严酷的环境，这阻碍了其实际应用。最近，已经提出了多种配置来模拟类似 EIT 的传输，而无需严格的实验条件，包括耦合微谐振器 [8,9,10,11,12]、开口环和超材料 [13,14， 15,16] 由电介质和金属材料组成。其中，具有周期性单元图案的基于超材料的 EIT 需要在与芯片表面不平行的方向上入射的激发信号光。由于激发信号光沿平行于芯片表面的方向入射，耦合微谐振器可以很好地满足类EIT传输的片上集成应用的要求。为了进一步减少 EIT 设备的足迹，等离子体诱导透明 (PIT) 已被提议作为经典 EIT 的模拟，具有超出电磁波衍射极限的强光限制 [17,18,19]。表面等离子体激元是金属/电介质界面处自由电子的光学诱导振荡，表现出强光限制和小型化光子组件 [20, 21]。最近，金属/绝缘体/金属 (MIM) 等离子体波导具有极高的光限制和与相邻波导的距离更近，是一种非常有前途的纳米级波导，它能够克服衍射极限并具有等离子体传感器 [22]、耦合器 [22]、耦合器的多种应用。 23] 和过滤器 [24]。因此，基于MIM的PIT传输在光通信、光信息处理和非线性光学的片上应用中具有巨大的潜力。

在这里，我们提出了一种新颖的失谐谐振器结构，以在 MIM 波导中获得 PIT 传输。该器件采用平面结构，由两个失谐三角谐振器和一个总线波导组成，形成非对称蝴蝶结结构，实现PIT效应。由于透明峰值波长对波导内部结构参数和介质的敏感和线性响应，所提出的设备能够实现基于 PIT 的折射率传感。该器件结构紧凑且易于制作，在片上光子集成方面具有重要意义。

方法

不对称领结结构示意图如图 1 所示，其中蓝色背景材料为银，其介电常数由 \( {\varepsilon}_r={\varepsilon}_{\infty }- {\omega}_p^2/\left({\omega}^2+ j\gamma \omega \right) \)，与 ε ∞=3.7，ω p =9.1 eV 和 γ =0.018 eV。上式中采用的参数与光通信频率下的实验数据相吻合 [25]。所有的 MIM 波导都被空气填充。结构中心的长条是用于传输光的总线波导。在总线的两侧，波导是领结谐振器。领结谐振器是不对称的，结构参数失谐，如高度和角度，用 H 表示 你 , H d , θ 1 , 和 θ 2 .领结中三角形的涡流位于总线波导的中间。因此，领结谐振器与总线波导的连接很小，从而能够在它们之间进行有效耦合。总线波导的宽度固定在 100 nm，总线波导的长度对 PIT 传输谱没有影响，但传输损耗除外。因此，考虑到紧凑性和集成度，其长度固定为 1 μm。总线波导两端的两个光栅用于注入宽带或波长扫描光源并收集传输光谱。透射光谱是使用具有散射边界条件的有限元方法进行数值计算的。在数值模拟中，平面波从总线波导的左侧光栅通过端口注入，以激发 SP 的基本 TM 模式。传输的光从总线波导的右侧光栅收集，定义为 T =P 输出/P 在，其中 P in =∫ P oavzdS 1 和 Pout =∫ PoavzdS 2; Poavz 是 z 时间平均潮流的分量。该结构的透射光谱是通过参数扫描输入波长获得的。这种非对称领结结构可以通过以下步骤制造：首先，在二氧化硅/硅衬底上沉积厚度为 500 nm 的 Ag 薄膜；然后，沉积一层厚度为500 nm的二氧化硅薄膜；最后，通过EBL和蚀刻制作所需的图案，包括光栅。与基于渐逝耦合的器件相比，所提出的孔径耦合方案的制造要求可能不那么严格，并且可用于在其他重要的 MIM 等离子体结构中实现高效耦合。

不对称领结结构示意图

结果与讨论

与普通矩形谐振器不同，领结中的三角形谐振器不仅由边长决定，还由角度决定。因此，我们首先研究连接到总线波导的角度对所提出的具有单个三角形谐振器的结构的传输和谐振特性的影响。单个三角形谐振器的透射光谱如图 2 所示。谐振器的所有高度都固定在 0.8 μm。三角形谐振器的顶角连接到总线波导，允许电磁能从总线波导侧耦合到三角形谐振器。因此，在图 2 中的光谱上出现了较深的传输谷。这些数量、带宽和谷波长由谐振器的结构参数决定。对于 20° 的角度，光谱上有两个较深的传输谷。较长波长处的谐振谷分别在纵向和水平方向上为 0 阶和 0 阶。随着波长的减小，谐振腔高度允许多一个驻波节点，即纵向上的一阶。 40°角的情况与20°的情况类似。随着角度的增加，光谱中又出现了一个共振谷。较大的角度使模态分布在水平方向分裂，在水平方向形成一阶高阶模态。对于 80° 的较大角度，L:0 阶模式在水平方向分裂形成 L:1 阶； H：第一种模式。因此，增加的角度会导致波长的偏移和模式分布在水平方向上的分裂，从而形成高阶模式。位移波长与角度没有直接关系，因为角度的变化也会改变边长。因此，为了保持稳定的谐振特性，优选小角度。

角度为 20° (a ), 40° (b ), 60° (c ) 和 80° (d ）。插图是磁场 H z对应于谐振波长

谐振器的高度是谐振特性的关键参数。对于谐振器高度从 0.8 到 1.1 μm 变化的具有单个三角形谐振器的器件的透射光谱如图 3a 所示。在模拟过程中选择了 40° 的腔角。在 1.2 到 1.8 μm 的波长范围内，每个光谱都有一个单倾角，即共振谷。所有的谷透射率都在 0.1 左右。由于H的电磁分布 z 在谐振和非谐振波长处，如图 3a 的插图所示，大部分电磁能量以谐振波长耦合到三角谐振器中，而注入的宽带光的大多数其他波长通过总线波导传输。随着高度的增加，谷波长表现出红移行为。如图 3b 所示，位移波长与高度成正比，线性良好。谐振波长的偏移可以通过驻波条件 Nλ 来解释 N =2n g L , N =(1, 2, 3…).对于特定的 N , 三角形谐振腔的高度较大引起谐振波长的红移，而较短的高度引起谐振波长的蓝移。对于不同的角度，谐振波长与高度之间的关系保持相似，这使得无需严格要求即可制造。

单个三角形谐振器的传输特性。一个 不同高度的单个三角形谐振器的透射光谱。 b 40°、60° 和 80° 角的谐振波长与高度的相关性。插图是磁场 H z对应谐振和非谐振波长

为了实现 PIT 传输，需要腔长略微失谐的双谐振器之间的强耦合。所提出的不对称领结结构由高度略微失谐的三角形谐振器组成，可实现谐振器之间的强耦合。通过微调双三角谐振腔的高度，在单谐振腔的禁带中会出现一个透明的传输峰值。如图 4a 所示，选择 20° 的角度以在波长范围内仅保持一个谷，并精细选择高度以使 PIT 传输带位于 1.55 μm 左右，用于光通信应用。高度为 0.93 μm 的单个谐振器的透射光谱用红色虚线表示。其谷位于 1.47 μm。为了引入结构差异以及谷值差异，采用高度为 1.02 μm 的单个谐振器与之前的谐振器配对。光谱描绘为蓝色虚线，其谷位于 1.61 μm。然后，成对谐振器内部的电磁能量强烈耦合，形成具有两个深谷和一个透明峰的透射谱，如黑色实线所示。透明峰位于两个深谷之间的中心，这是单个谐振器的禁带。如插图所示，在第一个谷，主要电磁能耦合到总线波导下方的谐振器中，而不是上谐振器。在第二个谷，主要的电磁能量耦合到上谐振器中。这些与单个谐振器的非常相似。在透明峰值处，大约 75% 的电磁能通过总线波导传输，只有一小部分能量耦合到不对称的蝴蝶结谐振器中，为传播的电磁能形成透明带。需要注意的是，在不同角度的非对称领结结构中也可以获得PIT。然而，波谷波长和波峰波长不会随角度单调变化，导致对透明波峰的控制非常困难。而且，如上节所述，较大角度的谐振器会产生多模谐振，这不利于PIT效应的控制。因此，本文仅阐述高度差引起的 PIT。所提出的非对称领结结构中的 PIT 效应对高度敏感。为了保持光通信波长处的透明峰值，选择了几组高度差为 30 到 190 nm 的高度值来研究高度差对 PIT 效应的影响。如图 4b 所示，通过精细选择谐振器高度值组，透明峰可以保持在 1.55 μm。透明峰与吸收谷之比最大可达10 dB以上。宽度和透射率都与高度差呈正相关。在图 4c 中，透明带的半高全宽 (FWHM) 与高度差成正比，具有近似线性的行为，这与图 3b 中的行为一致。由于金属耗散的存在，PIT效应的完全透明传输是不切实际的。峰值透过率随着高度差的增加先快速增加，然后趋于稳定在0.8以上。

非对称领结结构的 PIT 传输。 一 PIT 传输频谱。 b 不同高度差的 PIT 透射光谱。 c FWHM 和峰值透射率作为高度差的函数

如上节所述，波谷和透明波峰由谐振器和总线波导内部的结构参数和介质材料决定。因此，所提出的非对称领结结构中基于 PIT 的传感是可行的。以前，总线波导和谐振器由空气填充，这意味着空的并且可以用作液体的容器。在仿真中，总线波导和谐振器被液体填充。其折射率从1.30到1.40不等，涵盖了水、丙酮、甲醇、乙醇、丙醇、葡萄糖溶液等多种常见液体[26]。如图 5a 所示，透明峰随着液体折射率的增加而发生红移。每个峰都可以明显区分，峰透射率几乎保持稳定。在图 5b 中，峰值波长作为 50 nm、70 nm、90 nm、120 nm 和 150 nm 高度差的折射率的函数是成正比的。波长偏移具有极好的线性度。计算出的高度差灵敏度均约等于1140 nm/RIU，对应的传感分辨率为8.8 × 10 ⁻⁵ 里乌。因此，基于非对称领结式 PIT 的传感器具有非常高的灵敏度和出色的制造偏差抗扰性。

基于 PIT 的传感特性。 一 折射率从 80 到 120 nm 变化的 90 纳米高度差的透射光谱。 b 不同高度差下峰值波长对折射率的依赖性

结论

我们提出了一种不对称的领结结构来实现 PIT 效应。采用有限元方法对不同结构参数谐振器的传输特性进行数值计算。通过失谐三角谐振器之间的强耦合，可以在单个谐振器的禁带中获得透明传输带。由于所有三个维度都小于自由空间波长，该器件具有简单且超紧凑的结构。该器件还具有出色的制造偏差免疫力，因此无需严格要求即可轻松制造。此外，使用所提出的不对称领结结构证明了基于 PIT 的传感特性。器件最高灵敏度可达1140 nm/RIU；对应的传感分辨率为8.8 × 10 ⁻⁵ 里乌。灵敏度对于变化的高度差具有出色的线性和一致性。因此，我们提出的非对称领结结构为片上类EIT器件和折射率传感器提供了一个新平台。

数据和材料的可用性

数据集无限制可用。

缩写

EIT：

电磁感应透明

FWHM：

半高全宽

MIM：

金属-绝缘体-金属

坑：

等离子诱导透明