2개의 전위된 병렬 금속 격자의 이색성 광 다이오드 전송

방법

광 다이오드 구조의 구조는 그림 1에 나와 있습니다. 구조는 두 개의 은 격자 G로 구성됩니다. ₁ 그리고 G ₂ 실리카 층을 끼워 넣습니다. 실리카 층의 두께는 d로 표시됩니다. . 지 ₁ 그리고 G ₂ 동일한 슬릿 너비 s , 동일한 두께 h , 및 다른 격자 상수 Λ _나 (나 =1, 2). 구조는 병진 대칭이며 단위 셀에는 2개의 G 단위가 포함됩니다. ₁ 및 3개의 G 단위 ₂ . Δ G의 측면 상대 위치를 나타냅니다. ₁ 그리고 G ₂ 단위 셀에서. Drude 모델[35]은 은의 유전 기능을 설명하는 데 사용됩니다. 실리카의 굴절률은 분산을 무시하고 1.5입니다. 주변 유전체는 공기이고 굴절률은 1입니다. p의 수직 입사 평면파 - 편광은 광학 다이오드 효과를 조사하기 위해 사용됩니다.

광학 다이오드 구조의 개략도. 아 단위 셀입니다. ㄴ 전체 보기

투과율 T 광학 다이오드 구조의 정의는 다음과 같습니다.

여기서 P _나 는 사고력 및 P _오 출력 전력입니다. 티 유한 차분 시간 영역(FDTD) 방법을 사용하여 수치적으로 시뮬레이션됩니다[36]. 왼쪽과 오른쪽에는 주기적인 경계 조건이 적용되고 시뮬레이션 모델의 위쪽과 아래쪽에는 완벽하게 일치하는 레이어 경계가 적용됩니다. 티 _디 그리고 T _우 하향 입사 및 상향 입사에 대한 투과율을 각각 나타냅니다. 광학 다이오드 속성은 절연 명암비 η로 설명됩니다. :

따라서 η =1은 최고의 광학 다이오드 성능을 의미합니다.

결과 및 이론적 분석

광 다이오드 구조의 투과율 및 절연 명암비는 그림 2와 같습니다. T _디 T와 다릅니다. _우 입사 파장이 λ보다 작을 때 _C . 티 _디 최대값 0.73에 도달하고 T _우 3.7 × 10 ⁻³ 입니다. λ에서 _디 (1315nm). 반면 T _우 최대값 0.82에 도달하고 T _디 3.6 × 10 ⁻⁴ 입니다. λ에서 _우 (921nm). λ에서의 분리 명암비 _디 및 λ _우 각각 0.990과 0.999입니다. 그림 2는 광 다이오드 효과가 λ 부근에서 얻어짐을 보여줍니다. _디 및 λ _우 , 그리고 두 파장대역은 전송 방향이 역전된다. 다이크로익 다이오드 작동 파장대역에서 구조는 탁월한 투과율을 보입니다.

d가 있는 광학 다이오드 구조의 투과 스펙트럼 및 절연 명암비 =200nm, s =h =50nm, Λ ₁ =900nm, Λ ₂ =600nm 및 Δ =0 nm

이색성 광다이오드 전송을 이해하기 위해서는 전계 강도 |E | ² 두 개의 작동 파장대역에서 시뮬레이션됩니다. 그림 3a, d와 같이 광 다이오드 구조를 통해 빛이 투과될 때 두 격자 사이에 전계가 강화된다. 한편, 도 3b, c는 역차단 상태를 나타낸다. 두 격자 사이의 전자기장의 향상은 두 개의 인접한 은/실리카 인터페이스의 SP로 인해 발생합니다. 두 격자의 SP 유형은 각각 구조화된 SP(SSP)와 유도 SP(ISP)로 분류됩니다. SSP는 여기되고 첫 번째 조명 격자(선택기)에서 생성됩니다. ISP는 SPP와 인접한 은/실리카 계면 사이의 결합에 의해 후자의 격자(방사체)에서 유도됩니다. SSP와 ISP로 인해 광 다이오드 구조를 통해 빛이 투과됩니다.

전계 강도 분포 |E | ² λ에서의 하향 입사 _디 =1315nm(a ), λ에서 상향 발생 _디 =1315nm(b ), λ에서의 하향 입사 _우 =921nm(c ) 및 λ에서 상향 발생 _우 =921nm(d )

은/실리카 계면의 표면 전하 밀도 및 E _와 SP의 결합 기능을 나타내기 위해 전기장 분포의 구성 요소가 그림 4에 나와 있습니다. 도 4a에서 G ₁ 그리고 G ₂ 평판 커패시터와 유사한 인접 표면에 반대 전하가 있습니다. 하향 입사 조건에서 G ₁ λ에서 SSP를 자극하는 선택기 역할 _디 . 주기적 표면 전하 밀도 분포는 SPP가 G의 격자 상수에 의해 결정됨을 나타냅니다. ₁ . 지 ₂ SPP에 의해 유도된 ISP를 지원하고 전송을 위한 이미터 역할을 합니다. 이 _와 G 사이 ₁ 그리고 G ₂ 그림 4b와 같이 SPP와 ISP 간의 결합으로 인해 향상되었습니다. 그림 4c, d, G에 표시된 상향 사고 조건의 경우 ₂ 선택기 및 G 역할 ₁ 방사체 역할을 합니다.

G에서 은/실리카 계면의 표면 전하 밀도 ₁ 그리고 G ₂ , λ에서 하향 입사 조건에서 _디 =1315nm(a ) 및 λ에서 상향 발생 _우 =921nm(c ). 이봐 λ에서 하향 입사 조건에서 전기장의 성분 _D =1315nm(b ) 및 λ에서 상향 발생 _U =921nm(d )

그림 4에서 볼 수 있듯이 전송 필드는 주기적이며 수평 방향(x -축) 방향. 마침표 Λ (Λ =2Λ ₁ =3Λ ₂ ) 전송 필드 분포의 통합 광 다이오드 구조에 의해 변조되고 2π/Λ를 충족합니다. =|g ₁ -g₂ |, 여기 g _나 G_i의 격자 벡터입니다. (나 =1, 2). SP의 존재에 대해 격자 회절 효율이 증가합니다. 측면 파동 벡터 κ 투과광은 g의 중첩에서 파생됩니다. ₁ 그리고 g ₂ :

그리고 임계 파장 λ을 결정합니다. _C (λ _C =2π/|κ|) T _디 ≠ T _우 . 식에 따르면 (3), λ _C 위에서 언급한 구조의 경우 1800nm이며 이는 시뮬레이션 결과 λ와 잘 일치합니다. _C =1806nm는 그림 2와 같습니다. 광 다이오드 효과는 λ 범위에서 나타납니다. ≤ λ _C . 시뮬레이션 결과에 따르면 집적 격자의 주기(1800nm)는 다이오드 작동 파장(1315nm 및 921nm)보다 큽니다. 다차 회절 성분은 통합 격자에서 산란되는 빛으로 얻을 수 있습니다. 따라서 빛이 원거리장으로 투과되더라도 투과장은 격자와 평행한 방향을 따라 균일하지 않습니다.

은 격자의 SSP는 SSP가 복사 모드[37]인 반면 SP는 완전히 표면 결합 모드라는 점을 제외하고 평면 은/실리카 인터페이스의 SP와 유사합니다. SSP는 격자의 슬릿이 극히 좁을 때 평면 은/실리카 인터페이스에서 SP로 처리될 수 있습니다. 따라서 SSP의 분산 관계는 [38]과 같이 쓸 수 있습니다.

여기서 k ₀ 자유 공간 파동 벡터이고 ɛ _m 그리고 ɛ _d 는 각각 은과 실리카의 유전 계수입니다. 식에 의해 설명된 분산 관계. (4)는 그림 5에 나와 있습니다. 이 논문에서 Drude 모델 매개변수[35]를 사용하여 계산된 분산 곡선은 광자 에너지가 2.75eV(<나는>λ> 450nm). 그림 5에서 수직 빨간색과 검은색 점선은 |g를 나타냅니다. _1| 그리고 |g ₂ |, 각각. SSP는 벡터 일치 조건 [40]이 충족될 때 격자에 의해 여기됩니다.

Drude 모델과 Johnson and Christy의 광학 상수 데이터를 사용하여 계산된 평면 은/실리카 계면의 SP 분산. 수직 빨간색과 검은색 대시 라인은 격자 벡터 계수를 나타냅니다. |g ₁ | 그리고 |g ₂ |, 각각

수직 입사의 경우(θ =0°), 1차(N =1) 격자의 회절은 가장 높은 회절 효율, 즉 SSP에 대한 가장 큰 여기 효율을 갖는다. 따라서 식. (5)는 그림 5에 표시된 빨간색과 검은색 점에서 충족됩니다.

광다이오드 구조에서 G₁ 하향 입사 및 G에 대해 SSP를 자극하는 선택기입니다. ₂ 상향 입사에 대한 선택자입니다. 지 ₁ 그리고 G ₂ 서로 다른 격자 상수를 가지므로 SSP는 역 입사 방향에 대해 서로 다른 파장에서 여기됩니다. 그림 5에서 빨간색 점의 광자 에너지는 0.91eV이고 파장은 1365nm로 λ에 해당합니다. _디 (1315nm)은 그림 2에 나와 있습니다. 마찬가지로 블랙 포인트가 나타내는 광자 에너지는 1.04eV이고 파장은 924nm로 λ에 해당합니다. _우 (921 nm) 그림 2. grating to plate의 근사치로 SSP의 공명 파장은 Eq. (4) 및 식. (6) 그림 2에 표시된 FDTD 방법을 사용하여 시뮬레이션한 것과 정확히 동일하지 않습니다.

식 (5)는 입사각 θ을 나타냅니다. SSP에 대한 격자의 파동 벡터 매칭 조건에 영향을 줍니다. θ의 변화와 함께 , λ에서의 투과율 및 분리 명암비 _디 (1315nm) 및 λ _우 (921 nm)는 각각 그림 6a, b에 시뮬레이션 및 표시됩니다. θ와 함께 0°에서 10°로 증가, T _디 λ에서 _디 그리고 T _우 λ에서 _우 g 간의 파동 벡터 불일치 감소 _나 및 SSP. (T _디 λ에서 _디 θ일 때 0으로 감소 ≈ 40° 및 T _우 λ에서 _우 θ일 때 0으로 감소 ≈ 35°.) 입사각 범위 0° ≤ θ ≤ 5°, T _디 λ에서 _우 그리고 T _우 λ에서 _디 거의 0이고 η λ에서 항상 0.98보다 크게 유지 _우 및 λ _디 . 그림 6은 구조가 λ에서 우수한 광학 다이오드 효과를 나타냄을 보여줍니다. _D 및 λ _우 작은 각도 입사.

λ에서 입사각이 투과율과 분리 명암비에 미치는 영향 _디 =1315nm(a ) 및 λ _우 =921nm(b )

조사 및 토론

이 섹션에서는 구조 매개변수가 투과 스펙트럼과 격리 명암비에 미치는 영향을 조사합니다.

층간 두께 d 및 격자 측면 상대 위치 Δ 제조 정확도에 의해 제한됩니다. d의 영향 및 Δ 투과 스펙트럼 및 분리 명암비에 대한 정보가 그림 1 및 2에 나와 있습니다. 각각 7번과 8번. 그림 7은 광학 다이오드의 작동 파장대가 d일 때 약간의 적색 편이를 나타냄을 보여줍니다. 증가합니다. 한편, T의 최대값은 _디 거의 감소하지 않지만 T의 최대값 _우 현저히 감소합니다. d 증가 구조를 통한 광 전송 거리를 연장하고 G 간의 전자기 상호 작용을 약화시킵니다. ₁ 그리고 G ₂ , 에미터 표면에서 유도된 전하 밀도를 손상시킨다. 그림 4에서 볼 수 있듯이 에미터의 슬릿 모서리에 분포된 전하는 전송 필드의 전기 쌍극자 소스로 작용합니다. 에미터 G의 슬릿 모서리에서의 전하 밀도 ₂ (그림 4a) 에미터 G의 슬릿 모서리에서보다 훨씬 큽니다. ₁ (그림 4c), 그래서 d T의 최대값에 덜 영향을 줍니다. _디 T보다 _우 . 게다가 d의 증가와 함께 , FP₁로 표시된 작은 피크 및 FP₂ T에 등장 _우 그리고 FP₁의 전송 피크 큰 적색편이를 보인다. 전계 강도 |E | ² 분포는 FP₁ 및 FP₂ Fabry-Perot 공명의 결과입니다.

d의 영향 투과 스펙트럼 및 격리 명암비. d =220nm(a ), d =240nm(b ) 및 d =260nm(c ) s일 때 =h =50nm, Λ ₁ =900nm, Λ ₂ =600nm 및 Δ =0 nm. 삽입은 전기장 강도의 분포입니다 |E | ² 상향 전송 공진용

Δ의 영향 투과 스펙트럼 및 격리 명암비. Δ =50nm =Λ ₂ /12 (a ), Δ =100nm =Λ ₂ /6 (b ) 및 Δ =150nm =Λ ₂ /4 (c ) d일 때 =200nm, s =h =50nm, Λ ₁ =900nm 및 Λ ₂ =600nm. (b의 삽입 )은 E입니다. _와 상향 전송 공진 분포

Δ =a 일 때 광다이오드 구조는 그림 1과 같이 주기적이며 동일한 단위 셀을 갖는다. ± MΛ ₂ /2(0 nm <a <ㅇ ₂ /2 및 M =0, 1, 2…). 또한 Δ의 단위 셀은 =아 Δ =의 좌우 대칭 대칭입니다. − 아 ± MΛ ₂ /2 및 그들은 동일한 전송 효과를 실현할 수 있습니다. 따라서 광다이오드 구조의 투과율은 Δ의 영향을 받습니다. 다음과 같이:T (Δ ) =T (Δ + Λ ₂ /2) =T (− Δ + Λ ₂ /2). 그림 8과 같이 λ에서의 광다이오드 효과 Λ 기간 내에 ~921nm가 켜지고 꺼집니다. ₂ /2를 Δ로 증가합니다. 그러나 T의 전송 피크 _디 λ에서 약간의 청색 편이 및 광학 다이오드 효과를 나타냅니다. ~1315nm는 Δ일 때 항상 켜져 있습니다. 증가합니다. 그림 8a에서 볼 수 있듯이 λ에서 새로운 전송 피크 _N T에서 등장 _우 λ 부근의 곡선 _우 . Δ일 때 Λ에서 증가 ₂ /12 ~ Λ ₂ /6, λ에서의 피크 _N 청색 편이를 나타내는 반면 λ에서 피크 _우 적색편이를 나타낸다(그림 8a, b). 이 _와 λ에서의 전송 공진 분포 _우 및 λ _N 그림 8b에 삽입되어 있습니다. 시뮬레이션 결과에 따르면 λ에서의 공진 _N 에너지 분할로 인해 생성됩니다. Δ일 때 Λ로 증가 ₂ /4, 도 8c에 도시된 T _우 억제되고 두 개의 전송 공진이 사라지므로 λ에서 광 다이오드 효과가 꺼집니다. ~921nm.

이론 분석에 따르면 광 다이오드의 작동 파장 대역은 격자 매개 변수를 최적화하여 특정 범위에서 얻을 수 있습니다. 그림 9는 구조 매개변수 d를 사용하여 가시광선 범위에서 이색성 광 다이오드 전송이 달성되었음을 보여줍니다. =100nm, Λ ₁ =450nm, Λ ₂ =300nm, s =h =30nm 및 Δ =0 nm. 다이크로익 다이오드 전송 파장대역의 최대 투과율은 80%(상향 입사의 경우 522nm에서) 및 71%(하향 입사의 경우 732nm에서)이며, 해당 절연 명암비 η 0.998과 0.993입니다.

d가 있는 광학 다이오드 구조의 투과 스펙트럼 및 절연 명암비 =100nm, Λ ₁ =450nm, Λ ₂ =300nm, s =h =30nm 및 Δ =0 nm

또한, 우리 구조에서 단위 셀의 구성 요소도 광 다이오드 현상에 영향을 미칩니다. 식에 따르면 (5) 다이오드 효과의 파장대역은 Λ에 따라 달라집니다. ₁ 그리고 Λ ₂ . 우리 연구에서는 G의 2개 단위로 구성된 단위 셀을 선택합니다. ₁ 및 3개의 G 단위 ₂ , 즉, 2Λ ₁ =3Λ ₂ , 광 다이오드 파장 대역에서 동시에 높은 투과율과 우수한 절연 명암비를 얻기 위해. 예를 들어, 그림 10은 3개의 G 단위로 구성된 단위 셀과 함께 광 다이오드 구조의 이색성 전송을 보여줍니다. ₁ 및 4개의 G 단위 ₂ . 광학 다이오드 효과는 T를 사용하여 530nm에서 얻습니다. _우 =72% 및 659nm(T 포함) _우 =76%. |g ₁ | 그리고 |g ₂ | 크기가 작고 선택기 역할을 하는 격자는 두 격자의 SSP를 서로 다른 효율로 여기할 수 있습니다. 또한 Λ일 때 ₁ =2Λ ₂ , G의 1차 회절로 인한 광 다이오드 구조의 SP 전송 공진 ₂ G의 2차 회절에 의해 여기될 수도 있습니다. ₁ 2g ₁ =g ₂ , 이는 격리 명암비를 감소시킵니다. 따라서 좋은 광 다이오드 특성을 위해서는 두 개의 격자 상수가 충분한 차이를 가져야 하고 정수 배수 관계를 피해야 합니다.

3개의 G 단위를 포함하는 단위 셀의 광 다이오드 구조에 대한 투과 스펙트럼 및 분리 명암비 ₁ 및 4개의 G 단위 ₂ . d =100nm, Λ ₁ =400nm, Λ ₂ =300nm, s =h =30nm 및 Δ =0 nm