使用铝和铌酸锂配置的超表面滤色器

介绍

近年来，超材料的研究进展朝着实现可实时控制其几何和光学特性的可调超表面发展，从而在主动可调超材料领域创造了特殊的机会。据报道，它们跨越可见光 [1,2,3,4,5,6]、红外线 (IR) [7,8,9,10,11,12] 和太赫兹 (THz) [12,13, 14,15,16,17,18,19,20,21] 光谱范围。由于超表面中独特的光学特性依赖于入射光和纳米结构之间的相互作用，因此可以通过适当调整结构的形状、大小和组成来实现所需的特性。超表面已经能够操纵近场实体，从而允许重新配置有趣的特征，如磁响应 [1, 22]、近乎完美的吸收 [14, 15, 23]、透明度 [17, 19]、相位工程 [18, 20, 21, 24]，中红外传感和热成像 [10]，谐振调制 [9] 用于多种类型的滤波器 [1,2,3,4,5] 和传感器 [6,7,8,12,13,14] ] 应用程序。

迄今为止，已经报道了许多主动调整机制来提高超表面的灵活性。大多数设计都在 IR [10,11,12, 25,26,27] 和 THz [28,29,30,31] 光谱范围内。尽管在可见光谱范围内有多种主动可调超表面的报道方法，例如机械拉伸 [32]、静电力 [33]、米氏共振 [34]、液晶 [35]、相变材料 [36,37] ,38] 和电光材料 [39, 40] 然而，在可见光谱范围内对主动可调超表面的研究数量是有限的。在电光方法的调谐机制中，基于石墨烯的可调谐超表面最近引起了研究人员的广泛关注 [41,42,43]。此外，铌酸锂（LN）是最重要的材料之一，被视为“光子学的硅”。由于其宽透明窗口、高达 30 pm/V 的大二阶电光系数以及与集成光子电路的良好兼容性，超表面在 LN 上的方法引起了极大的关注 [44]。由于其大的二阶非线性磁化率，LN 的折射率可以通过在其上施加电场来线性调整 [44]。将 LN 纳入超表面设计为具有光电主动可调性的超灵敏彩色滤光片开辟了可能性。上述主动调谐方法高度依赖于天然材料的非线性特性。它们通常缺乏理想的特性，例如大的调谐范围和整个调谐范围内的统一性能，或者需要高驱动电压，这严重限制了它们的应用。在这些方法中，使用微机电系统 (MEMS) 技术的主动可调超材料被广泛研究，因为超材料的几何特性可以直接修改 [26, 29]。基于 MEMS 的可调谐超材料通常利用法布里-珀罗 (F-P) 腔，然后改变两个结构层之间的间隙来调节共振 [37, 45]。这些结构可以产生窄的吸收或传输带宽，具有较大的调谐范围，是下一代应用的理想选择。

在这项研究中，提出了两种超表面滤色器（MCF）设计。它们是可调谐的基于铝的超表面 (TAM) 和可调谐的基于 LN 的超表面 (TLNM)，通过使用 Lumerical Solution 的基于有限差分时域 (FDTD) 的模拟来研究它们在可见光谱范围内的光学特性。入射光的传播方向设置为垂直于x –y 数值模拟中的平面。入射光的偏振角设为0，表示电矢量沿x方向振荡 -轴方向作为 TM 极化。 x中也采用了周期性边界条件 和 y 方向，并且在两个 z 中都假定完美匹配层 (PML) 边界条件 方向。反射强度由设置在设备上方的监视器计算。所提出的设备表现出有源可调性和大的可调范围。 TAM 和 TLNM 在整个可见光谱范围内表现出近乎完美的超窄带吸收。对于环境传感应用，TAM 表现出高灵敏度，而 TLNM 表现出高 FOM。这些设计有可能用于高分辨率显示器、折射率传感器和可见光谱范围内的自适应器件。

设计和方法

图 1a 显示了提议的 TAM 和 TLNM 的示意图。它们由悬浮的矩形 Al 和椭圆形 LN 超表面组成，位于 Si 衬底上，顶部涂有 Al 镜层。通过使用 MEMS 技术在这两层之间形成 F-P 腔，可以调整底部铝镜层和顶部超表面之间的间隙。相应的几何尺寸是 Al 超曲面中矩形孔的长度和 LN 超曲面中椭圆孔沿 x 的两个轴 -方向 (D x ) 和 y -方向 (D 是 )，沿 x 的周期 -方向 (P x ) 和 y -方向 (P 是 )，超表面的厚度 (t )，以及超表面和底部镜面层之间的间隙 (g ）。在这里，我们定义了矩形 Al 超表面和椭圆形 LN 超表面沿 x 的周期比和长度 -direction 和 y -direction as K x =P x /D x 和 K 是 =P 是 / D 是 ，分别计算整个可见光谱范围内的有效电磁响应。

一 TAM 和 TLNM 的示意图。 b –d 不同(b ) D x , (c ) K x , 和 (d ) K 是 价值观

图1b-d显示了改变D后TAM的反射光谱 x , K x , 和 K 是 值，分别。在图 1b 中，参数保持不变为 D 是 =200 纳米，g =450 nm 和 K x =K 是 =1.2。通过改变 D 保持近乎完美的吸收光谱 x 值从 110 nm 到 200 nm。共振波长为 535 nm。图 1c 显示了不同 K 下 TAM 的反射光谱 x 值。其他参数与 D 一样保持不变 x =D 是 =200 纳米，g =450 nm 和 K 是 =1.2。共振在 530 nm 至 540 nm 的波长范围内几乎保持恒定。图1d为不同K下TAM的反射光谱 是 值。其他参数与 D 一样保持不变 x =D 是 =200 纳米，g =450 nm 和 K x =1.2。通过改变 K 是 值从 1.1 到 1.5，共振蓝移，波长范围小于 60 nm。这些结果表明 D 的影响 x , K x , 和 K 是 TAM 的谐振波长值非常小，这意味着所提出的 TAM 对 D 的变化具有很高的制造偏差容限 x , K x , 和 K 是 值。在下面的讨论中，K x 和 K 是 保持不变为 1.2 和 D x 设置为等于 D 是 研究所提出的 TAM 和 TLNM 设备的主动可调性。

结果和讨论

为了增加所提出的器件的灵活性和适用性，超表面被设计成悬浮的，以便在它自己和底部镜层之间留下一个间隙，以形成一个 FP 谐振器，因此，入射光将被困在这个间隙，然后被器件吸收。关于 D 是 和 g 值是导致共振波长偏移的主要因素，通过配对 D 可以在整个可见光谱范围内调整近乎完美的 TAM 吸收 是 和 g 值如图 2a 所示。四对 D 是 和 g 选择值来研究 TAM 的可调性。它们是 (D 是 , g ) =(160 nm, 355 nm), (200 nm, 450 nm), (240 nm, 540 nm), (280 nm, 645 nm), 分别。由 D 组成 是 和 g 值，可以在 433.9 nm、533.5 nm、629.8 nm 和 740.9 nm 不同波长下实现完美吸收。图 2a 中插入的彩色图像是通过使用 CIE RGB 匹配函数来模拟设备表面的真实颜色计算得出的人眼反射光谱的相应可见颜色。共振与D的关系 是 值总结并绘制在图 2b 中。通过增加 D 共振在整个可见光谱范围内线性红移 是 值从 150 nm 到 290 nm。对应的修正系数为0.99401。它显示了建议的 TAM 设备的良好可调性。 F-P谐振器的谐振频率可由[46]

一 不同D的TAM反射光谱 是 和 g 值。 b 共振与D的关系 是 价值观

其中 q 是模式索引，g 是 F-P 腔的长度，c =c 0 /n , 其中 c 0 是真空中的光速，n 是介质的折射率。这表明共振频率可以通过在这个提议的设计中垂直移动悬浮的超表面来调整，即改变 g 价值。

图3 不同g的TAM反射光谱 D 条件下的值 是 =200 nm（图 3a）和 D 是 =250 nm（图 3b），分别。在图 3a 中，通过改变 g，共振从 490 nm 的波长红移到 590 nm 值从 410 nm 到 510 nm。调谐范围为 100 nm。对于 g，谐振的最窄半峰全宽 (FWHM) 为 29.9 nm =470 纳米。在图 3b 中，通过改变 g，共振从 580 nm 的波长红移到 691 nm 值从 490 nm 到 610 nm。调谐范围为 111 nm。对于 g，共振的最窄 FWHM 为 31.8 nm =530 纳米。调谐范围是参考文献 [39] 中报告的 2 倍，并且优于先前参考文献 [37、38、40] 中报告的调谐范围。图3c、d表示共振与g的对应关系 分别为图 3a、b 的值。每 10 nm g 增量，共振线性红移 9.2 nm 值如图 3c 所示，每增加 10 nm g 增加 9.0 nm 值如图 3d 所示。调谐范围分别为 90.5 nm 和 110.7 nm。所有反射光谱都是近乎完美的吸收。相应的修正系数分别为 0.99950 和 0.99969。所提出的 TAM 的这种设计可用作超灵敏彩色滤光片或用于各种传感应用。

不同g下TAM的反射光谱 a 条件下的值 D 是 =200 纳米，b D 是 =250 纳米。 c, d 共振与g的关系 a 的值 和 b , 分别

为了提高 TAM 在 FWHM 和调谐波长范围方面的性能，同时保持近乎完美的吸收，TLNM 被提出并呈现，如图 1a 所示。正是因为纳米结构的图案化总是受到角效应和制造偏差的影响，所以几何图案被设计为椭圆孔。 D 的参数 x 和 D 是 表示沿 x- 的宏轴和短轴的长度 和 y -方向，分别，而 K x 和 K 是 参数保持不变，如 1.2 和 D x 值为 110 nm。图 4a 显示了四种 D 组合的 TLNM 反射光谱 是 和 g 值。 t 值保持恒定为 200 nm。 TLNM 表现出完美吸收的特性，具有跨越整个可见光谱范围的超窄带宽。反射光谱的 FWHM 值为 3 nm。这种超窄 FWHM 是由 F-P 共振贡献的，它可以由

一 不同D的TLNM反射光谱 是 和 g 值。 b 共振与D的关系 是 价值观

其中 λ q 是谐振波长，下标q 是模式索引，g 是 F-P 腔的长度，R 是底部 Al 超表面和顶部 Al/LN 超表面之间的 F-P 谐振器表面的反射率。由于 TLNM 更高的反射强度，FWHM 值可能会降低，这意味着使用 LN 材料可以大大提高光学性能。共振与D的关系 是 图 4a 中的值总结为图 4b 所示。通过增加 D，共振从 427 nm 线性红移到 673 nm 是 值从 250 nm 到 500 nm，相应的校正系数为 0.97815。因此，它证明了所提出设备的线性可调性。

悬浮的椭圆LN超表面是可移动的，可以通过使用MEMS技术直接对其进行修改以实现光学可调性。图5a、b为不同g的TLNM反射光谱 D 两种条件下的值 是 =350 纳米，t =210 纳米，D 是 =450 纳米，t =280 nm，分别。在图 5a 中，通过增加 g 值从 390 nm 到 570 nm，共振从 465.9 nm 红移到 553.5 nm。在图 5b 中，通过增加 g 值从 540 nm 到 780 nm，共振从 613.6 nm 红移到 731.2 nm。图5c、d表示共振的对应关系，g 值，以及图 5a、b 的相应 FWHM 值。共振相当线性地红移。两种情况对应的修正系数分别为0.99864和0.99950。对于 D 的情况 是 =350 纳米，t =210 nm，调谐范围为 87.6 nm，平均 FWHM 值为 3 nm，如图 5c 所示。而对于 D 的情况 是 =450 纳米，t =280 nm，调谐范围为 117.6 nm，平均 FWHM 值为 4 nm，如图 5d 所示。可以看出，最窄的 FWHM 值在 466 nm 波长处为 1.5 nm，如图 5a 所示，在 615 nm 波长处为 3.2 nm，如图 5b 所示。将它们与提出的 TAM 设计的结果进行比较，TLNM 的 FWHM 值提高了 10 倍，至少保持了完美的吸收。通过使用 LN 超表面，这是光学性能的极大改进。这些结果表明，基于超窄带、完美吸收和大调谐范围的非凡特性，TLNM具有潜在的应用前景，例如超灵敏滤色器、吸收器、探测器和传感器。

<图片>

TLNM的反射光谱。在a条件下针对最大可调范围优化参数 D 是 =350 纳米，t =210 纳米，b D 是 =450 纳米，t =280 纳米。 c , d 共振的关系，g a 的值，以及相应的 FWHM 值 和 b , 分别

为了进一步研究 TAM 和 TLNM 设备是否可以植入到实际应用中，例如环境传感器，它们暴露在具有不同环境折射率 (n ）。图 6 显示了 TAM 暴露在周围环境中的反射光谱，不同的折射率从 1.0 到 1.3。 TAM 的几何尺寸与 D 一样保持不变 x =110 纳米，D 是 =200 nm 和 g =450 纳米。有两个共振红移，调谐范围为 84.6 nm (ω 1 ) 和 172.1 nm (ω 2 ）。共振与n的关系 值总结在图 6b 中。灵敏度计算为 246.7 nm/RIU 和 481.5 nm/RIU，第一共振 (ω) 的相应品质因数 (FOM) 分别为 11 和 14 1 ) 和二次共振 (ω 2 ）， 分别。这些较高的灵敏度是由共振的窄 FWHM 引起的，它们是 21.6 nm (ω 1 ) 和 34 nm (ω 2 ）。这些特性非常适合语用感知应用。

一 TAM暴露在不同折射率(n)周围环境中的反射光谱 ）。 b 共振与n的关系 价值观

但缺点是ω的反射强度 1 相对较高，ω 2 随着 n 增加到 20% 以上 增加到 1.3。为了克服这一限制，由于 LN 超表面的特性，TLNM 被设计为具有稳定的光学特性。图7 TLNM在不同n环境下暴露的反射光谱 D 条件下的值 是 =350 纳米，t =210 纳米，g =490 nm 和 D 是 =450 纳米，t =280 纳米，g =580 nm，分别如图 7a、b 所示。在图 7a 中，TLNM 与 D 的共振 是 =350 纳米，t =210 纳米，g =490 nm 通过增加 n 以 58.4 nm 的调谐范围红移 值从 1.0 到 1.2。而在D条件下TLNM的共振 是 =450 纳米，t =280 纳米，g =580 nm 通过增加 n 以 78.2 nm 的调谐范围红移 值从 1.0 到 1.2。在这两种情况下，TLNM 表现出近乎完美的吸收，其中反射强度的波动小于 5%。反射光谱比 TAM 更稳定。共振与n的关系 两种情况的值分别绘制在图 7c、d 中。对于带有 D 的 TLNM 的条件 是 =350 纳米，t =210 纳米，g =490 nm，灵敏度和平均 FWHM 值分别为 291.4 nm/RIU 和 3 nm。相应的 FOM 计算为 97，如图 7c 所示。对于带有 D 的 TLNM 的条件 是 =450 纳米，t =280 纳米，g =580 nm，灵敏度和平均 FWHM 值分别为 390.3 nm/RIU 和 4 nm。相应的 FOM 计算为 97.5，如图 7d 所示，与图 6 所示的 TAM 相比提高了 7 倍。这意味着 TLNM 显示出更好的传感性能，可用于环境传感器应用。 <图片>

TLNM在不同折射率(n ) 在 a 的条件下 D 是 =350 纳米，t =210 纳米，g =490 纳米，b D 是 =450 纳米，t =280 纳米，g =580 纳米。 c , d 共振的关系，n 值和相应的 FWHM 值，分别

结论

总之，我们提出了两种基于悬浮矩形 Al 和椭圆形 LN 超表面的可调高效滤色器设计，Si 衬底上涂有 Al 镜面层。通过改变 D 的不同组合 x , g , 和 t TAM 和 TLNM 的值，电磁响应可以在整个可见光谱范围内以超高效率进行完美吸收。通过增加 g 值，TAM 和 TLNM 的共振可以分别调谐到 110.7 nm 和 117.6 nm。对于环境传感应用，TAM 具有 481.5 nm/RIU 的超高灵敏度，TLNM 具有 97.5 的超高 FOM 值。与 TAM 相比，TLNM 的 FWHM 最大提高了 10 倍，FOM 可以提高 7 倍。根据上述超窄带特性，尤其是 TLNM 的 3 nm FWHM、完美的吸收和大的调谐范围，这些特性在可见光谱中很少通过注入 Al 或 LN 超表面同时报道，表明所提出的器件可以可能用于许多应用，例如具有高色纯度的超灵敏彩色滤光片、用于显示和成像技术的高分辨率、集成光学器件中所需的高效可调吸收器、折射率传感器等。在这些应用中，TLNM 表现出具有更高 FOM 的性能和更窄的 FWHM 而 TAM 对折射率传感器具有更高的灵敏度。

数据和材料的可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在这篇已发表的文章中。

缩写

MCF：

超表面滤色器

LN：

铌酸锂

TAM：

可调谐铝超表面

TLNM：

可调LN超表面

F-P：

法布里-珀罗

FOM：

品质因数

IR：

红外线

太赫兹：

太赫兹

FDTD：

有限差分时域

PML：

完美匹配层