비대칭 나비 넥타이 구조의 플라스몬 유도 투명도

결과 및 토론

일반 직사각형 공진기와 달리 나비 넥타이의 삼각형 공진기는 측면 길이뿐만 아니라 각도에 의해 결정됩니다. 따라서 우리는 먼저 단일 삼각형 공진기를 사용하여 제안된 구조의 전송 및 공진 특성에 대한 버스 도파관에 연결된 각도의 영향을 조사합니다. 단일 삼각형 공진기의 전송 스펙트럼은 그림 2에 나와 있습니다. 공진기의 모든 높이는 0.8 μm로 고정되어 있습니다. 삼각형 공진기의 상단 각도는 버스 도파관에 연결되어 전자기 에너지가 버스 도파관에서 삼각형 공진기로 측면 결합되도록 합니다. 따라서 그림 2의 스펙트럼에 깊은 투과 골이 나타납니다. 이러한 양, 대역폭 및 골 파장은 공진기의 구조적 매개변수에 의해 결정됩니다. 20° 각도의 경우 스펙트럼에는 두 개의 깊은 투과 골이 있습니다. 장파장에서 공진골은 세로방향과 가로방향으로 각각 0차, 0차이다. 파장이 감소함에 따라 공진기 높이는 길이 방향으로 1차인 정상파 노드를 하나 더 허용합니다. 40° 각도에 대한 상황은 20° 각도와 유사합니다. 각도가 증가함에 따라 스펙트럼에서 하나 이상의 공명 계곡이 나타납니다. 각도가 클수록 모달 분포가 수평 방향으로 분할되어 수평 방향으로 1차 고차 모드를 형성합니다. 80°의 더 큰 각도에 대해 L:0차 모드가 수평 방향으로 분할되어 L:1st; H:첫 번째 모드입니다. 따라서 각도가 증가하면 파장이 이동하고 수평 방향으로 모드 분포가 분할되어 고차 모드가 형성됩니다. 이동 파장은 각도와 직접적인 관계가 없습니다. 각도의 변화도 측면 길이를 변경하기 때문입니다. 따라서 일정한 공진 특성을 유지하려면 작은 각도가 선호됩니다.

20° 각도에 대한 단일 삼각형 공진기의 전송 스펙트럼(a ), 40°(b ), 60°(c ) 및 80°(d ). 삽입은 자기장 H입니다. _z 공진 파장에 해당

공진기의 높이는 공진 속성의 핵심 매개변수입니다. 공진기 높이가 0.8~1.1 μm인 단일 삼각형 공진기가 있는 장치의 전송 스펙트럼은 그림 3a에 나와 있습니다. 시뮬레이션 동안 40°의 캐비티 각도가 선택되었습니다. 1.2 ~ 1.8 μm의 파장 범위 내에서 각 스펙트럼은 단일 딥(dip)을 가지며 이는 공명 계곡을 의미합니다. 모든 계곡 투과율은 약 0.1입니다. H의 전자기 분포로 _z 공진 및 비공진 파장에서 그림 3a의 삽입도에서 대부분의 전자기 에너지는 공진 파장에서 삼각형 공진기로 결합하는 반면 주입된 광대역 광의 다른 대부분의 파장은 버스 도파관을 통해 전송됩니다. 증분 높이에서 밸리 파장은 적색 편이 거동을 나타냅니다. 그림 3b와 같이 이동 파장은 높이에 비례하여 선형성이 우수합니다. 공진 파장의 이동은 정상파 조건 Nλ을 통해 설명할 수 있습니다. _N =2n _g 엘 , N =(1, 2, 3…). 특정 N , 삼각형 공진기의 높이가 클수록 공진 파장의 적색 편이가 발생하고 높이가 낮을수록 공진 파장의 청색 편이가 발생합니다. 다른 각도에서 공진 파장과 높이 사이의 관계는 유사하게 유지되므로 엄격한 요구 사항 없이 제작이 가능합니다.

단일 삼각형 공진기의 전송 특성. 다양한 높이에 대한 단일 삼각형 공진기의 전송 스펙트럼. ㄴ 40°, 60° 및 80° 각도에서 높이에 따른 공진 파장의 의존성. 삽입은 자기장 H입니다. _z 공진 및 비공진 파장에 해당

PIT 전송을 실현하기 위해서는 캐비티 길이가 약간 디튠된 이중 공진기 간의 강력한 결합이 필요합니다. 높이가 약간 조정된 삼각형 공진기로 구성된 제안된 비대칭 나비 넥타이 구조는 공진기 간의 강력한 결합을 가능하게 합니다. 이중 삼각 공진기의 높이를 미세하게 조정하면 단일 공진기의 금지 대역에 투명한 전송 피크가 나타납니다. 그림 4a와 같이 파장 범위 내에서 하나의 계곡만 유지하도록 20°의 각도를 선택하고 광통신 응용 분야에서 PIT 전송 대역이 약 1.55 μm에 위치하도록 높이를 미세하게 선택했습니다. 높이가 0.93 μm인 단일 공진기의 전송 스펙트럼은 빨간색 점선으로 표시됩니다. 그 계곡은 1.47 μm에 위치합니다. 밸리 차이와 함께 구조적 차이를 도입하기 위해 1.02 μm 높이의 단일 공진기를 사용하여 이전 공진기를 페어링합니다. 스펙트럼은 파란색 점선으로 표시되며 그 계곡은 1.61 μm에 위치합니다. 그런 다음 한 쌍의 공진기 내부의 전자기 에너지가 강하게 결합하여 검은색 실선으로 표시된 두 개의 깊은 계곡과 하나의 투명한 피크가 있는 전송 스펙트럼을 형성합니다. 투명한 봉우리는 단일 공진기의 금지 대역이었던 두 개의 깊은 계곡 사이 중앙에 위치합니다. 삽입도에서 알 수 있듯이 첫 번째 계곡에서 주요 전자기 에너지는 상부 공진기가 아닌 버스 도파관 아래의 공진기로 결합됩니다. 두 번째 계곡에서 주요 전자기 에너지는 대신 상부 공진기로 결합됩니다. 이들은 단일 공진기와 매우 유사합니다. 투명한 피크에서 약 75%의 전자기 에너지가 버스 도파관을 통해 전송되고 에너지의 작은 부분만이 비대칭 보타이 공진기로 결합되어 전자기 에너지 전파를 위한 투명 대역을 형성합니다. PIT는 각도가 다른 비대칭 나비 넥타이 구조에서도 얻을 수 있습니다. 그러나 피크 파장과 함께 밸리 파장은 각도에 따라 단조롭게 변화하지 않아 투명 피크를 제어하기가 매우 어렵습니다. 또한, 위 섹션에서 언급한 바와 같이, 더 큰 각도의 공진기는 다중 모드 공진을 발생시켜 PIT 효과의 제어에 해롭습니다. 따라서 본 논문에서는 높이차로 인한 PIT에 대해서만 설명한다. 제안된 비대칭 보타이 구조에서 PIT 효과는 높이에 민감하다. 광통신 파장에서 투명한 피크를 유지하기 위해 높이 차이가 30~190 nm인 여러 세트의 높이 값을 선택하여 높이 차이가 PIT 효과에 미치는 영향을 조사했습니다. 그림 4b와 같이 공진기 높이 값 세트를 미세하게 선택하여 투명 피크를 1.55 μm로 유지할 수 있습니다. 투명 피크 대 흡수 밸리의 최대 비율은 10 dB 이상일 수 있습니다. 너비와 투과율은 모두 높이 차이와 양의 관계를 가지고 있습니다. 그림 4c에서 투명 밴드의 FWHM(full width at half maximum)은 높이 차이에 비례하며 거의 선형 동작을 하며 이는 그림 3b의 동작과 일치합니다. 금속 소산의 존재로 인해 PIT 효과의 완전히 투명한 전송은 비실용적입니다. 피크 투과율은 높이 차이가 증가함에 따라 먼저 빠르게 증가하고 0.8 이상에서 안정되는 경향이 있습니다.

비대칭 보타이 구조의 PIT 전송. 아 PIT 전송 스펙트럼. ㄴ 다양한 높이 차이에 대한 PIT 투과 스펙트럼. ㄷ 높이 차이에 따른 FWHM 및 피크 투과율

위 섹션에서 자세히 설명했듯이 밸리와 투명 피크는 구조적 매개변수와 공진기 및 버스 도파관 내부의 매질 재료에 의해 결정됩니다. 따라서 제안된 비대칭 나비 넥타이 구조에서 PIT 기반 센싱이 가능하다. 이전에는 버스 도파관과 공진기가 공기로 채워져 비어있어 액체를 담는 용기로 사용할 수 있습니다. 시뮬레이션에서 버스 도파관과 공진기는 액체로 채워집니다. 굴절률은 1.30에서 1.40까지 다양하며 물, 아세톤, 메틸 알코올, 에틸 알코올, 프로필 알코올, 포도당 용액 등의 다양한 일반 액체를 포함합니다. 그림 5a와 같이 투명한 피크는 액체의 굴절률이 증가함에 따라 적색 편이를 거칩니다. 각각의 피크가 뚜렷하게 구별될 수 있으며 피크 투과율은 거의 안정적으로 유지됩니다. 그림 5b에서 50 nm, 70 nm, 90 nm, 120 nm 및 150 nm의 높이 차이에 대한 굴절률로서의 피크 파장의 함수는 정비례합니다. 파장 이동은 선형성이 우수합니다. 높이 차이에 대해 계산된 감도는 모두 대략 1140 nm/RIU이고 해당 감지 해상도는 8.8 × 10 ⁻⁵ 입니다. 리우. 따라서 비대칭 나비 넥타이 PIT 기반 센서는 감도가 매우 높고 제작 편차에 대한 내성이 뛰어납니다.

PIT 기반 감지 속성. 아 80에서 120 nm까지 다양한 굴절률에 대한 90nm 높이 차이의 투과 스펙트럼. ㄴ 다른 높이 차이에 대한 굴절률에 대한 피크 파장의 의존성