이중 변위 금속 격자를 이용한 고효율 이색성 광학 다이오드

초록

두 개의 전위된 평행 금속 격자로 구성된 광학 다이오드 구조를 제안하고 수치적으로 조사했습니다. 이 구조에서 이색성 광학 다이오드 투과가 실현되는데, 즉 역방향 투과 방향에 해당하는 두 파장대에서 광학 다이오드 효과가 관찰됩니다. 구조에서 서로 다른 격자 상수를 가진 두 평행 금속 격자가 중간에 유전체 슬래브로 분리되어 있습니다. 첫 번째 조명 격자는 적절한 파장에서 표면 플라즈몬을 여기하는 선택기 역할을 하고, 다른 격자는 이미터 역할을 하여 광 투과를 실현합니다. 입사 방향이 반전되면 두 격자의 역할이 바뀌고 표면 플라즈몬이 다른 파장에서 여기됩니다. 이색성 투과 파장대에서 구조는 비상 투과를 보이며 최대 1에 가까운 높은 광학 고립도를 가집니다. 또한 구조 파라미터 변경으로 동작 파장대 조절이 가능합니다.

서론

한 방향으로 광자를 투과시키고 역방향 투과를 차단하는 광학 다이오드는 단방향 투과 특성으로 큰 주목을 받아왔습니다[1]. 광-물질 상호작용의 시간 반전 대칭성이 깨질 때 광학 다이오드 현상 관측 가능. 외부 자기장[2], 바이어스 전압[3], 음향파[4], 시간 의존적 변조[5,6] 등으로 광학 다이오드 효과 구현 가능. 공간 반전 대칭성 깨짐 구조도 대안: 비대칭 다층 구조[7], 비대칭 포토닉 결정[8], 비대칭 격자[9] 등. 최근 수십 년간 금속 마이크로-나노 구조는 표면 플라즈몬(SP)의 유망한 특성으로 큰 관심[10-19]. 플라즈모닉 소자는 메타표면 홀로그래피[10-14], 굴절률 센서[15,16], 필터[17,18] 등 많은 분야에 제안. 플라즈모닉 소자는 나노스케일 전자기장 상호작용을 강력히 조절[19]. 주변 유전 환경과 금속 구조 기하 파라미터 변경으로 SP 변조 가능[20,21]. 나노스케일 금속 구조로 구성된 광학 다이오드(예: 플라즈모닉 층 샌드위치 격자[22,23], 캐스케이드 플라즈모닉 격자[24,25], 플라즈모닉 나노홀[26], 플라즈모닉 슬롯 도파로[27], 플라즈모닉 나노입자 응집체[28])가 광학 정보 처리를 위해 널리 연구.

본 논문에서는 유전체 슬래브를 사이에 둔 두 전위된 평행 금속 격자에서 이색성 광학 다이오드 투과를 얻었습니다. 좁은 슬릿으로 구성된 금속 격자는 비상 투과를 보이고[29,30], 비대칭 구조는 단방향 투과 실현[27-31]하므로, 역방향 투과 방향을 가진 두 동작 파장대에서 투과 증대와 높은 고립 대비비 동시 달성. 조명 순서에 따라 서로 다른 격자 상수를 가진 두 금속 격자는 각각 선택기와 이미터 역할. 선택기는 SP를 여기해 공진 파장 선택, SP 기여로 이미터가 광 투과 실현. 입사 방향 반전 시 두 격자 역할 교환, 다른 파장에서 SP 여기. 따라서 이색성 광학 다이오드 투과 획득. 제안 구조 두께는 160 nm로 작음. 나노제작 기술 발전으로 자외선 나노임프린트 리소그래피[32], 레이저 직접 쓰기 리소그래피[33], 전자빔 리소그래피[34] 등 금속 격자 구조 제작에 다양한 방법 적용 가능. 광학 다이오드 특성은 입사 강도 독립적. 이러한 특성은 우리 구조가 광집적에 광범위한 잠재력 가짐 시사.

방법

광학 다이오드 구조 개요는 그림 1에 표시. 구조는 실리카 층을 사이에 둔 두 은 격자 G₁, G₂로 구성. 실리카 층 두께는 d. G₁, G₂는 동일한 슬릿 폭 s, 동일한 두께 h, 다른 격자 상수 Λᵢ(i=1,2) 가짐. 구조는 병진 대칭이며 단위 셀은 G₁ 2개, G₂ 3개 포함. Δ는 단위 셀 내 G₁, G₂의 측면 상대 위치. 드루드 모델[35]로 은의 유전 함수 기술. 실리카 굴절률 1.5(분산 무시). 주변 유전체는 공기(굴절률 1). 수직 입사 p-편광 평면파로 광학 다이오드 효과 조사.

광학 다이오드 구조 개략도. a 단위 셀. b 전체 보기

광학 다이오드 구조의 투과율 T 정의:

여기서 P_i는 입사 전력, P_o는 출력 전력. T는 유한차분 시간영역(FDTD) 법[36]으로 수치 시뮬레이션. 좌우에 주기적 경계 조건, 상하에 완벽 매칭 레이어 경계 조건 적용. T_D, T_U는 각각 하향 입사와 상향 입사에 대한 투과율. 광학 다이오드 특성은 고립 대비비 η로 기술:

따라서 η = 1은 최적 광학 다이오드 성능 의미.

결과 및 이론적 분석

광학 다이오드 구조의 투과율과 고립 대비비는 그림 2에 표시. 입사 파장이 λ_C 미만일 때 T_D ≠ T_U. T_D는 λ_D(1315 nm)에서 최대 0.73, T_U는 3.7×10⁻³. 반면 T_U는 λ_U(921 nm)에서 최대 0.82, T_D는 3.6×10⁻⁴. λ_D와 λ_U에서의 고립 대비비는 각각 0.990, 0.999. 그림 2는 λ_D와 λ_U 근처에서 광학 다이오드 효과 얻음, 두 파장대는 역방향 투과 방향 가짐. 이색성 다이오드 동작 파장대에서 구조는 비상 투과 보임.

d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, Λ₂ = 600 nm, Δ = 0 nm인 광학 다이오드 구조의 투과 스펙트럼과 고립 대비비

이색성 광학 다이오드 투과 이해를 위해 두 동작 파장대에서 전기장 강도 |E|² 시뮬레이션. 그림 3a, d에서 광이 구조 투과 시 두 격자 사이 전기장 증강. 그림 3b, c는 역방향 차단 상태. 두 격자 사이 전자기장 증강은 두 인접 은/실리카 계면에서의 SP 때문. 두 격자에서의 SP 유형은 구조화 SP(SSP)와 유도 SP(ISP)로 분류. SSP는 첫 조명 격자(선택기)에서 여기되어 생성. ISP는 SPP와 인접 은/실리카 계면 간 결합으로 후자 격자(이미터)에서 유도. SSP와 ISP로 광이 구조 투과.

하향 입사 λ_D = 1315 nm(a), 상향 입사 λ_D = 1315 nm(b), 하향 입사 λ_U = 921 nm(c), 상향 입사 λ_U = 921 nm(d)에서 전기장 강도 |E|² 분포

은/실리카 계면 표면 전하 밀도와 전기장 E_y 성분 분포를 그림 4에 나타내 SP 결합 기능 규명. 그림 4a에서 G₁, G₂ 인접 표면에 반대 전하 분포, 평판 커패시터 유사. 하향 입사 조건에서 G₁은 선택기로 λ_D에서 SSP 여기. 주기적 표면 전하 밀도 분포는 SPP가 G₁ 격자 상수에 의해 결정됨 나타냄. G₂는 SPP에 의해 유도된 ISP 지지, 이미터 역할로 투과 수행. G₁, G₂ 사이 E_y는 SPP와 ISP 결합으로 증강(그림 4b). 상향 입사 조건(그림 4c, d)에서는 G₂가 선택기, G₁이 이미터 역할.

하향 입사 λ_D = 1315 nm(a)와 상향 입사 λ_U = 921 nm(c)에서 G₁, G₂ 은/실리카 계면 표면 전하 밀도. 하향 입사 λ_D = 1315 nm(b)와 상향 입사 λ_U = 921 nm(d)에서 E_y 성분 전기장 분포

그림 4에서 볼 수 있듯 투과장은 수평(x축) 방향에서 주기적 비균일. 투과장 분포 주기 Λ(Λ = 2Λ₁ = 3Λ₂)는 적분 광학 다이오드 구조에 의해 변조되며 2π/Λ = |g₁-g₂| 만족(g_i는 G_i 격자 벡터). 격자 회절 효율은 SP 존재로 증가. 투과광 측면 파동 벡터 κ는 g₁, g₂ 중첩에서 유래:

이는 T_D ≠ T_U인 임계 파장 λ_C(λ_C = 2π/|κ|) 결정. 식 (3)으로 우리 구조에서 λ_C = 1800 nm, 그림 2 시뮬레이션 결과 λ_C = 1806 nm와 잘 일치. 광학 다이오드 효과는 λ ≤ λ_C 범위에서 나타남. 시뮬레이션 결과 적분 격자 주기(1800 nm)가 다이오드 동작 파장(1315 nm, 921 nm)보다 큼. 적분 격자에서 빛 산란으로 다차 회절 성분 획득. 따라서 빛이 원거리장으로 투과되어도 격자 평행 방향에서 투과장은 균일하지 않음.

은 격자의 SSP는 평판 은/실리카 계면 SP와 유사하나 SSP는 복사 모드[37]인 반면 SP는 완전 표면 결합 모드. 격자 슬릿이 극히 좁을 때 SSP를 평판 은/실리카 계면 SP로 근사 가능. 따라서 SSP 분산 관계는[38] 다음과 같이 쓸 수 있음:

여기서 k₀는 자유 공간 파동 벡터, ε_m, ε_d는 은과 실리카 유전 계수. 식 (4) 기술 분산 곡선은 그림 5에 도시. 본 논문 드루드 모델 파라미터[35] 사용 계산 분산 곡선은 Johnson and Christy 광학 상수 데이터셋[39] 사용 계산 곡선과 광자 에너지 2.75 eV 미만(λ > 450 nm)에서 잘 일치. 그림 5에서 빨간, 검은 세로 점선은 각각 |g₁|, |g₂| 나타냄. SSP는 격자 벡터 매칭 조건[40] 만족 시 격자에 의해 여기:

드루드 모델과 Johnson and Christy 광학 상수로 계산한 평판 은/실리카 계면 SP 분산. 빨간, 검은 세로 점선은 격자 벡터 크기 |g₁|, |g₂| 각각 나타냄

정상 입사(θ = 0°)에서 격자 1차 회절(N=1)이 최고 회절 효율, 즉 SSP 최대 여기 효율. 따라서 식 (5)는 그림 5 빨간, 검은 점에서 만족:

광학 다이오드 구조에서 하향 입사 시 G₁이 SSP 여기 선택기, 상향 입사 시 G₂가 선택기. G₁, G₂ 격자 상수 다르므로 역방향 입사 시 다른 파장에서 SSP 여기. 그림 5에서 빨간 점 광자 에너지 0.91 eV, 파장 1365 nm로 그림 2 λ_D(1315 nm) 대응. 검은 점 1.04 eV, 924 nm로 그림 2 λ_U(921 nm) 대응. 격자를 평판으로 근사해 식 (4), (6)로 계산한 SSP 공진 파장은 그림 2 FDTD 시뮬레이션 결과와 정확히 일치하지 않음.

식 (5)는 입사각 θ가 격자-SSP 파동 벡터 매칭 조건 영향 나타냄. θ 변화에 따른 λ_D(1315 nm), λ_U(921 nm)에서 투과율, 고립 대비비 시뮬레이션 결과 그림 6a, b. θ 0°→10° 증가 시 λ_D에서 T_D, λ_U에서 T_U 감소(g_i와 SSP 간 파동 벡터 미스매칭). (θ ≈ 40°에서 λ_D T_D=0, θ ≈ 35°에서 λ_U T_U=0.) 0° ≤ θ ≤ 5° 입사각 범위에서 λ_U T_D, λ_D T_U 거의 0, η는 λ_U, λ_D 모두에서 0.98 이상 유지. 그림 6은 구조가 작은 입사각에서 λ_D, λ_U에서 좋은 광학 다이오드 효과 보임 입증.

입사각이 λ_D = 1315 nm(a)와 λ_U = 921 nm(b)에서 투과율과 고립 대비비에 미치는 영향

조사 및 고찰

이 섹션에서는 구조 파라미터가 투과 스펙트럼과 고립 대비비에 미치는 영향 조사.

층간 두께 d와 격자 측면 상대 위치 Δ는 제작 정밀도로 제한. d와 Δ가 투과 스펙트럼과 고립 대비비에 미치는 영향은 그림 7, 8. 그림 7에서 d 증가 시 다이오드 동작 파장대 약간 적색 편이. T_D 최대값 거의 감소 안 하나 T_U 최대값 유의미 감소. d 증가는 구조 내 광 투과 거리 연장, G₁-G₂ 전자기 상호작용 약화, 이미터 표면 유도 전하 밀도 손상. 그림 4에서 이미터 슬릿 모서리 전하 분포가 투과장 전기 쌍극자 소스 역할. 이미터 G₂ 슬릿 모서리 전하 밀도(그림 4a)가 이미터 G₁(그림 4c)보다 훨씬 커 d가 T_D 최대값보다 T_U 최대값에 덜 영향. 또한 d 증가 시 T_U에 FP₁, FP₂ 작은 피크 출현, FP₁ 투과 피크 큰 적색 편이. 전기장 강도 |E|² 분포로 FP₁, FP₂가 파브리-페로 공명 유래임 확인.

d가 투과 스펙트럼과 고립 대비비에 미치는 영향. d = 220 nm(a), 240 nm(b), 260 nm(c) (s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, Λ₂ = 600 nm, Δ = 0 nm). 삽입도는 상향 투과 공명 전기장 강도 |E|² 분포

Δ가 투과 스펙트럼과 고립 대비비에 미치는 영향. Δ = 50 nm = Λ₂/12(a), 100 nm = Λ₂/6(b), 150 nm = Λ₂/4(c) (d = 200 nm, s = h = 50 nm, Λ₁ = 900 nm, Λ₂ = 600 nm). (b) 삽입도는 상향 투과 공명 E_y 분포

그림 1에서 광학 다이오드 구조는 주기적이며 Δ = a ± MΛ₂/2(0 nm < a < Λ₂/2, M = 0,1,2…)일 때 같은 단위 셀 가짐. 게다가 Δ = a 단위 셀은 Δ = -a ± MΛ₂/2와 좌우 반전 대칭이며 같은 투과 효과 실현. 따라서 구조 투과율은 Δ에 대해: T(Δ) = T(Δ + Λ₂/2) = T(-Δ + Λ₂/2). 그림 8에서 Δ 증가 시 Λ₂/2 주기로 λ~921 nm 광학 다이오드 효과 켜짐/꺼짐 반복. 그러나 T_D 투과 피크는 약간 청색 편이, λ~1315 nm 다이오드 효과는 Δ 증가 시 항상 켜짐. 그림 8a에서 λ_N 근처 T_U 곡선에 새 투과 피크 출현. Δ가 Λ₂/12에서 Λ₂/6로 증가 시 λ_N 피크 청색 편이, λ_U 피크 적색 편이(그림 8a, b). λ_U, λ_N 투과 공명 E_y 분포 그림 8b 삽입. 시뮬레이션 결과 λ_N 공명은 에너지 분리로 발생. Δ가 Λ₂/4 증가 시(그림 8c) T_U 억제, 두 투과 공명 사라져 λ~921 nm 다이오드 효과 꺼짐.

이론 분석에 따라 격자 파라미터 최적화로 특정 범위에서 다이오드 동작 파장대 획득 가능. 그림 9는 d = 100 nm, Λ₁ = 450 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, Δ = 0 nm 파라미터로 가시광 영역에서 이색성 광학 다이오드 투과 달성 보임. 이색성 다이오드 투과 파장대 최대 투과율 각각 80%(상향 입사 522 nm), 71%(하향 입사 732 nm), 해당 고립 대비비 η 0.998, 0.993.

d = 100 nm, Λ₁ = 450 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, Δ = 0 nm 구조의 투과 스펙트럼과 고립 대비비

또한 우리 구조 단위 셀 구성 요소도 광학 다이오드 현상 영향. 식 (5)에 따라 다이오드 효과 파장대는 Λ₁, Λ₂ 의존. 연구에서 G₁ 2개, G₂ 3개 단위 셀(2Λ₁ = 3Λ₂) 선택해 다이오드 파장대에서 높은 투과율과 좋은 고립 대비비 동시 획득. 예: 그림 10은 G₁ 3개, G₂ 4개 단위 셀 구조 이색성 투과. 530 nm T_U = 72%, 659 nm T_U = 76%에서 다이오드 효과. 두 파장 고립 대비비 0.912, 0.987로 감소(|g₁|, |g₂| 차이 작아 선택기 격자가 두 격자 SSP를 다른 효율로 여기). 또한 Λ₁ = 2Λ₂일 때 G₂ 1차 회절로 인한 SP 투과 공명이 G₁ 2차 회절로도 여기 가능(2g₁ = g₂), 고립 대비비 감소. 따라서 좋은 광학 다이오드 특성 위해 두 격자 상수 충분한 차이 필요, 정수배 관계 회피.

단위 셀에 G₁ 3개, G₂ 4개 포함된 광학 다이오드 구조 투과 스펙트럼과 고립 대비비. d = 100 nm, Λ₁ = 400 nm, Λ₂ = 300 nm, s = h = 30 nm, Δ = 0 nm

결론

두 전위된 평행 은 격자와 실리카 중간층으로 구성된 구조에서 SP 기반 이색성 광학 다이오드 투과 실현. 첫 조명 금속 격자가 SSP 여기로 투과 파장대 선택, 다른 금속 격자가 표면 전자 진동으로 전자기 에너지 전방 방출. 빛 입사 방향 반전 시 두 격자 역할 교환, 또 다른 광학 다이오드 투과 파장대 출현. 광학 고립비 거의 1 도달. 구조 파라미터 변경으로 다이오드 투과 파장대 다른 영역으로 조절 가능. 다이오드 동작 파장대와 투과율은 입사 강도 독립적. 구조 두께 불과 수백 nm. 우리 구조 특성들이 집적 회로에 광범위한 응용 제공.

약어

ISPs:

유도 표면 플라즈몬

SPs:

표면 플라즈몬

SSPs:

구조화 표면 플라즈몬