基于不对称蝴蝶结谐振器的等离子体诱导透明效应用于片上光通信

摘要

等离子体诱导透明（PIT）是模拟电磁诱导透明（EIT）的高效途径，可消除介质对传播电磁波的不透明效应。我们提出一种孔径侧耦合不对称蝴蝶结结构，在光通信波段实现片上等离子体诱导透明。PIT源于失谐蝴蝶结三角谐振器间的强耦合。每个谐振器作为紧凑尺寸的法布里-珀罗腔。透明峰波长因与谐振器高度呈强线性关系而易于控制。吸收谷与透明峰比值可超10 dB。此外，因透明峰波长偏移对传感材料折射率具优异线性，器件具有卓越传感性能和抗结构偏差免疫力。

背景

电磁诱导透明（EIT）效应源于三能级原子系统中两条路径的量子破坏性干涉[1,2]，在慢光传播[3,4]、非线性光学[5]、光存储[6]等显示巨大应用潜力。EIT系统中量子干涉效应在窄谱区减少光吸收，在宽吸收谱中产生近乎完美透射的尖锐共振[7]。然而EIT效应对原子运动展宽极敏感。实现EIT需稳定气体激光器和严苛环境，阻碍实际应用。近年提出多种构型模拟类EIT透射而无需严苛条件，包括耦合微谐振器[8-12]、劈环和超材料[13-16]（介质和金属材料组成）。其中，基于周期单元图案的超材料EIT需激励信号光非平行芯片表面入射。而激励信号光平行芯片表面入射时，耦合微谐振器更适合满足片上集成类EIT透射应用需求。为进一步减小EIT器件占地面积，等离子体诱导透明（PIT）被提出作为经典EIT类比，对电磁波具有超越衍射极限的强光限域[17-19]。表面等离子体是金属/介质界面自由电子的光诱导振荡，表现出强光限域和微型化光子器件[20,21]。近年金属/绝缘体/金属（MIM）等离子体波导因极高光限域和更紧密相邻波导间距，作为极具前景的纳米波导，能克服衍射极限，在等离子体传感器[22]、耦合器[23]、滤波器[24]等有多样应用。因此，基于MIM的PIT透射在片上光通信、光信息处理、非线性光学应用有巨大潜力。

本文提出一种新型失谐谐振器结构在MIM波导中实现PIT透射。器件为平面结构，由两个失谐三角谐振器和一条总线波导组成，形成不对称蝴蝶结结构以实现PIT效应。得益于透明峰波长对结构参数和波导内介质的敏感线性响应，器件可实现基于PIT的折射率传感。凭借紧凑易制结构，器件在片上光子集成中具重要意义。

方法

不对称蝴蝶结结构示意图见图1，蓝色背景材料为银，介电常数用德鲁德模型描述：ε_r=ε_∞-ω_p²/(ω²+jγω)，其中ε_∞=3.7，ω_p=9.1 eV，γ=0.018 eV。上述方程参数拟合光通信频率实验数据[25]。所有MIM波导填充空气。结构中心长条为传输光的总线波导。总线两侧为蝴蝶结谐振器。蝴蝶结谐振器不对称，具有失谐结构参数如高度和角度，分别记为H_u、H_d、θ_1、θ_2。三角形顶点位于总线波导中间，故蝴蝶结谐振器与总线波导有小连接实现高效耦合。总线波导宽度固定100 nm，长度除透射损耗外不影响PIT透射谱，为紧凑集成固定1 μm。总线两端两个光栅用于注入宽带或扫描波长光源和收集透射谱。用有限元法配合散射边界条件数值计算透射谱。模拟中平面波从总线左端光栅由端口注入激发SPs基模TM模。透射光从右端光栅收集，定义为T=P_out/P_in，其中P_in=∫PoavzdS₁，P_out=∫PoavzdS₂；Poavz为时间平均功率流z分量。通过参数扫描输入波长获得结构透射谱。该不对称蝴蝶结结构可按以下步骤制备：首先在二氧化硅/硅基底沉积500 nm厚Ag膜；然后沉积500 nm厚二氧化硅膜；最后用电子束光刻和刻蚀制备含光栅的所需图案。所提出的孔径耦合方案潜在制造要求比基于渐逝耦合器件宽松，可用于在其他重要MIM等离子体结构中实现高效耦合。

结果与讨论

不同于普通矩形谐振器，蝴蝶结中三角谐振器不仅由边长决定，也由角度决定。我们首先研究连接总线波导的角度对单三角谐振器透射和谐振特性的影响。单三角谐振器透射谱见图2。所有谐振器高度固定0.8 μm。三角谐振器顶角连接总线波导，允许电磁能量从总线侧向耦合入三角谐振器。因此图2谱上出现深透射谷。谷的数量、带宽和波长由谐振器结构参数决定。20°角时谱上有两个深透射谷。较长波长谐振谷为纵向和横向0阶。波长减小时谐振器高度允许多一个驻波节点，为纵向1阶。40°角情况类似。角度增加时谱上多出一个谐振谷。较大角度使模态分布横向分裂形成横向1阶高阶模。80°大角度时纵向0阶模横向分裂形成L:1阶；H:1阶模。因此角度增加导致波长偏移和横向模态分裂形成高阶模。偏移波长与角度无直接关系，因角度变化也改变边长。为维持稳定谐振特性，首选小角度。

谐振器高度是谐振特性关键参数。单三角谐振器器件随谐振器高度0.8-1.1 μm变化的透射谱见图3a。模拟选40°腔角。1.2-1.8 μm波长范围内每条谱有一个单一深谷，即谐振谷。所有谷透射率约0.1。图3a插图显示谐振和非谐振波长下H_z电磁分布：谐振波长下大部分电磁能量耦合入三角谐振器，其他波长宽带光主要透过总线波导。随高度增量，谐振谷波长红移。图3b显示偏移波长与高度呈优异线性比例。谐振波长偏移可用驻波条件Nλ_N=2n_gL（N=1,2,3...）解释。对特定N，较大三角谐振器高度致谐振波长红移，较短高度致蓝移。不同角度下谐振波长与高度关系相似，使制造无严苛要求成为可能。

为实现PIT透射，需略微失谐腔长的双谐振器强耦合。所提出不对称蝴蝶结结构由略微失谐高度的三角谐振器组成，实现谐振器间强耦合。通过精细调节双三角谐振器高度，单谐振器禁带中将出现透明透射峰。图4a显示选20°角以在波长范围内仅保留一个谷，并精细选取高度使PIT透射带定位在1.55 μm左右用于光通信应用。高度0.93 μm单谐振器透射谱作红色虚线，其谷位于1.47 μm。为引入结构差异伴随谷差异，采用高度1.02 μm单谐振器与前者配对。其谱作蓝色虚线，谷位于1.61 μm。随后配对谐振器内电磁能量强耦合，形成两深谷一透明峰透射谱，作黑色实线。透明峰位于两深谷中心，此前为单谐振器禁带。插图显示：第一谷时主要电磁能量耦合入总线下方谐振器而非上方；第二谷时主要耦合入上方谐振器。这些与单谐振器非常相似。透明峰处约75%电磁能量透过总线波导，仅小部分能量耦合入不对称蝴蝶结谐振器，为传播电磁能量形成透明带。注意PIT也可在不同角度不对称蝴蝶结结构中获得。但谷波长连同峰波长不随角度单调变化，导致透明峰极难控制。且如前所述，大角度谐振器产生多模谐振，不利于PIT效应控制。故本文仅详述高度差诱导PIT。所提不对称蝴蝶结结构PIT效应对高度敏感。为保持透明峰在光通信波长，选取高度差30-190 nm的若干组谐振器高度值研究高度差对PIT效应影响。图4b显示，精细选取谐振器高度值组，透明峰可保持在1.55 μm。透明峰与吸收谷最大比值可超10 dB。透明带宽度和透射率均与高度差呈正相关。图4c显示透明带半高全宽（FWHM）与高度差近似线性正比，与图3b行为一致。因金属耗散存在，完全透明PIT透射不切实际。峰透射率随高度差增加先快速上升后趋稳定在0.8以上。

如前节所述，谐振谷和透明峰由结构参数和谐振器及总线波导内介质材料决定。故基于PIT的传感在所提不对称蝴蝶结结构中可行。前文总线波导和谐振器填充空气，即空腔可作液体容器。模拟中总线波导和谐振器填充液体，折射率从1.30变至1.40，覆盖水、丙酮、甲醇、乙醇、丙醇、葡萄糖溶液等多种常见液体[26]。图5a显示透明峰随液体折射率增加红移。各峰清晰可辨且峰透射率近似保持稳定。图5b显示高度差50、70、90、120、150 nm时峰波长随折射率函数呈直接比例。波长偏移具优异线性。计算得不同高度差灵敏度均约等于1140 nm/RIU，相应传感分辨率8.8×10⁻⁵ RIU。故不对称蝴蝶结PIT传感器具极高灵敏度和优异抗制造偏差免疫力。

结论

我们提出不对称蝴蝶结结构实现PIT效应。用有限元法数值计算不同结构参数谐振器透射特性。通过失谐三角谐振器强耦合，可在单谐振器禁带中获得透明透射带。三维尺寸均小于自由空间波长，器件结构简单超紧凑。器件对制造偏差有优异免疫力，易于制造无严苛要求。进一步利用所提不对称蝴蝶结结构演示基于PIT的传感性能。器件可达最大灵敏度1140 nm/RIU，对应传感分辨率8.8×10⁻⁵ RIU。灵敏度对变化高度差具优异线性和一致性。因此，我们提出的不对称蝴蝶结结构为片上类EIT器件和折射率传感器提供新平台。

数据与材料可用性

数据集无限制可用。

缩略语

EIT：

电磁诱导透明

FWHM：

半高全宽

MIM：

金属-绝缘体-金属

PIT：

等离子体诱导透明