Design und Simulation einstellbarer Metasurface-Farbfilter mit Aluminium und Lithiumniobat

Zusammenfassung

Zwei Designs einstellbarer Metasurface-Farbfilter (MCFs) mit Aluminium- und Lithiumniobat (LN)-Konfigurationen werden vorgeschlagen und numerisch untersucht. Sie werden als einstellbare Aluminium-Metasurface (TAM) und einstellbare LN-Metasurface (TLNM) bezeichnet. Die MCF-Konfigurationen bestehen aus freitragenden Metasurfaces über Aluminium-Spiegelsschichten, die einen Fabry-Perot (F-P) Resonator bilden. Die Resonanzen von TAM und TLNM werden rotverschoben mit Einstellbereichen von 100 nm bzw. 111 nm durch Änderung des Spalts zwischen unterer Spiegelsschicht und oberer Metasurface. Darüber hinaus zeigen die vorgeschlagenen Bauelemente perfekte Absorption mit ultra-schmaler Bandbreite über den gesamten sichtbaren Spektralbereich durch Anpassung der geometrischen Parameter. Zur Erhöhung der Flexibilität und Anwendbarkeit weisen TAM eine hohe Empfindlichkeit von 481,5 nm/RIU und TLNM einen hohen Figure-of-Merit (FOM) von 97,5 auf, wenn die Bauelemente in Umgebungen mit unterschiedlichen Brechungsindizes betrieben werden. Die Verwendung von LN-basierter Metasurface verbessert FWHM und FOM um das 10-fache bzw. 7-fache im Vergleich zu Al-basierter Metasurface, was die optische Leistung stark verbessert und großes Potenzial in Sensoranwendungen zeigt. Diese Designs bieten einen effektiven Ansatz für einstellbare hocheffiziente Farbfilter und Sensoren mittels LN-basierter Metamaterialien.

Einleitung

In jüngster Zeit hat die Metamaterial-Forschung Fortschritte in Richtung einstellbarer Metasurfaces gemacht, die Echtzeitkontrolle über geometrische und optische Eigenschaften ermöglichen und außergewöhnliche Chancen im Bereich aktiv einstellbarer Metamaterialien schaffen. Diese wurden für sichtbare [1–6], Infrarot (IR) [7–12] und Terahertz (THz) [12–21] Spektralbereiche berichtet. Da die einzigartigen optischen Eigenschaften von Metasurfaces auf der Wechselwirkung zwischen einfallendem Licht und Nanostruktur beruhen, lassen sich gewünschte Eigenschaften durch gezielte Anpassung von Form, Größe und Zusammensetzung erreichen. Metasurfaces ermöglichen Manipulation von Nahfeld-Entitäten und damit Neukonfiguration faszinierender Eigenschaften wie magnetischer Antwort [1, 22], near-perfekter Absorption [14, 15, 23], Transparenz [17, 19], Phasenengineering [18, 20, 21, 24], MIR-Sensing und Thermal Imaging [10], Resonanzmodulation [9] für diverse Filter [1–5] und Sensoren [6–8, 12–14] Anwendungen.

Bisher gibt es viele aktive Abstimmmechanismen zur Erhöhung der Flexibilität von Metasurfaces. Die meisten Designs liegen im IR [10–12, 25–27] und THz [28–31] Spektralbereich. Obwohl diverse Ansätze für aktiv einstellbare Metasurfaces im sichtbaren Bereich berichtet wurden – mechanisches Dehnen [32], elektrostatische Kraft [33], Mie-Resonanz [34], Flüssigkristall [35], Phasenwechselmaterial [36–38], elektrooptisches Material [39, 40] – ist die Zahl der Studien begrenzt. Unter elektrooptischen Methoden ziehen Graphen-basierte einstellbare Metasurfaces massive Aufmerksamkeit [41–43]. Lithiumniobat (LN) ist eines der wichtigsten Materialien, bekannt als „Silicon of Photonics“. LN-basierte Metasurfaces erregen großes Interesse aufgrund breitem Transparenzfenster, großem zweitordnungs elektrooptischem Koeffizienten bis 30 pm/V und großer Kompatibilität mit integrierten photonischen Schaltkreisen [44]. Aufgrund großer zweitordnungs nichtlinearer Suszeptibilität lässt sich der Brechungsindex von LN linear durch Anlegen eines elektrischen Feldes abstimmen [44]. Die Integration von LN in Metasurface-Designs eröffnet Möglichkeiten für ultrasensitive Farbfilter mit elektrooptisch aktiver Einstellbarkeit. Die genannten aktiven Abstimmmethoden hängen stark von nichtlinearen Eigenschaften natürlicher Materialien ab. Ihnen fehlen oft wünschenswerte Eigenschaften wie großer Einstellbereich, gleichmäßige Leistung über den Einstellbereich oder sie erfordern hohe Ansteuerspannungen, was Anwendungen stark limitiert. Unter diesen Methoden werden aktiv einstellbare Metamaterialien mit Mikro-Elektro-Mechanischen Systemen (MEMS) Technologie weit untersucht, da geometrische Eigenschaften direkt modifiziert werden können [26, 29]. MEMS-basierte einstellbare Metamaterialien nutzen oft einen Fabry-Perot (F-P) Resonator und ändern den Spalt zwischen zwei Strukturlagen zur Resonanzabstimmung [37, 45]. Diese Strukturen erzeugen schmale Absorptions- oder Transmissionsbandbreiten mit großem Einstellbereich – begehrenswert für nächste Generation Anwendungen.

In dieser Studie werden zwei Designs einstellbarer Metasurface-Farbfilter (MCFs) vorgestellt: einstellbare Al-basierte Metasurface (TAM) und einstellbare LN-basierte Metasurface (TLNM), untersucht mittels Lumerical Solutions FDTD-Simulationen (Finite-Difference Time-Domain) im sichtbaren Spektralbereich. Die Ausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts ist senkrecht zur x-y-Ebene. Polarisationswinkel 0° bedeutet elektrisches Feldvektor oszilliert entlang x-Achse (TM-Polarisation). Periodische Randbedingungen in x- und y-Richtung, Perfectly Matched Layer (PML) in z-Richtung. Reflexionsintensität wird durch Monitor oberhalb des Bauelements berechnet. Die vorgeschlagenen Bauelemente zeigen aktive Einstellbarkeit und große Einstellbereiche. TAM und TLNM weisen near-perfekte ultra-schmalbandige Absorption über den gesamten sichtbaren Bereich auf. Für Umweltsensing: TAM hohe Empfindlichkeit, TLNM hoher FOM. Diese Designs eignen sich potenziell für hochauflösende Displays, Brechungsindexsensoren und adaptive Bauelemente im sichtbaren Bereich.

Designs und Methoden

Abbildung 1a zeigt schematische Darstellungen von TAM und TLNM. Sie bestehen aus freitragenden rechteckigen Al- und elliptischen LN-Metasurfaces auf Si-Substrat mit Al-Spiegelsschicht oben. Der Spalt zwischen unterer Al-Spiegelsschicht und oberer Metasurface kann per MEMS-Technologie abgestimmt werden, um einen F-P-Hohlraum zu bilden. Entsprechende geometrische Dimensionen: Länge des rechteckigen Lochs in Al-Metasurface und zwei Achsen des elliptischen Lochs in LN-Metasurface entlang x-Richtung (D_x) und y-Richtung (D_y), Perioden entlang x (P_x) und y (P_y), Metasurface-Dicke (t) und Spalt zwischen Metasurface und unterer Spiegelsschicht (g). Wir definieren Verhältnisse von Perioden und Längen entlang x und y als K_x = P_x/D_x und K_y = P_y/D_y, um effektive elektromagnetische Antworten im gesamten sichtbaren Spektralbereich zu ermitteln.

Abb. 1 a Schematische Darstellungen von TAM und TLNM. b–d Reflexionsspektren von TAM mit verschiedenen (b) D_x, (c) K_x, (d) K_y Werten.

Abb. 1b–d zeigen Reflexionsspektren von TAM durch Variation von D_x, K_x, K_y. Abb. 1b: Parameter konstant D_y = 200 nm, g = 450 nm, K_x = K_y = 1,2. Near-perfekte Absorptionsspektren bleiben bei D_x von 110–200 nm erhalten. Resonanz bei 535 nm. Abb. 1c: Reflexionsspektren mit verschiedenen K_x. Andere Parameter konstant: D_x = D_y = 200 nm, g = 450 nm, K_y = 1,2. Resonanzen nahezu konstant bei 530–540 nm. Abb. 1d: Reflexionsspektren mit verschiedenen K_y. Parameter konstant: D_x = D_y = 200 nm, g = 450 nm, K_x = 1,2. Durch K_y von 1,1 bis 1,5 blaue Verschiebung der Resonanzen um <60 nm. Diese Ergebnisse zeigen, dass Einflüsse von D_x, K_x, K_y auf Resonanzwellenlänge von TAM gering sind – hohes Fertigungstoleranz für diese Parameter. In folgenden Diskussionen werden K_x, K_y konstant 1,2 gehalten und D_x = D_y gesetzt, um aktive Einstellbarkeit von TAM und TLNM zu untersuchen.

Ergebnisse und Diskussion

Zur Erhöhung der Flexibilität und Anwendbarkeit ist die Metasurface freitragend gestaltet, um einen Spalt zur unteren Spiegelsschicht zu lassen und einen F-P-Resonator zu bilden. Einfallendes Licht wird in diesem Spalt gefangen und vom Bauelement absorbiert. D_y und g sind Hauptfaktoren für Resonanzverschiebung. Near-perfekte Absorption von TAM lässt sich im gesamten sichtbaren Bereich durch Paarung von D_y und g realisieren (Abb. 2a). Vier Paare (D_y, g): (160 nm, 355 nm), (200 nm, 450 nm), (240 nm, 540 nm), (280 nm, 645 nm). Durch Kombination werden perfekte Absorptionen bei 433,9 nm, 533,5 nm, 629,8 nm, 740,9 nm realisiert. Eingefügte Farbbilder in Abb. 2a zeigen entsprechende sichtbare Farben der Reflexionsspektren für menschliche Augen, berechnet mittels CIE RGB-Farbmatching-Funktionen. Beziehung Resonanzen und D_y Werte in Abb. 2b zusammengefasst. Resonanzen verschieben sich linear rot über gesamten sichtbaren Bereich bei Erhöhung von D_y von 150–290 nm. Korrelationskoeffizient 0,99401 – große Einstellbarkeit für TAM. Resonanzfrequenz eines F-P-Resonators [46]:

v_q = q c / (2g) (1)

wobei q Modenindex, g F-P-Hohlraumlänge, c = c₀/n (c₀ Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, n Brechungsindex des Mediums). Dies zeigt, dass Resonanzfrequenz durch vertikales Bewegen der freitragenden Metasurface (Ändern von g) abstimmbar ist.

Abb. 2 a Reflexionsspektren von TAM mit verschiedenen D_y und g Werten. b Beziehung Resonanzen und D_y Werte.

Abb. 3 zeigt Reflexionsspektren von TAM mit verschiedenen g-Werten bei D_y = 200 nm (Abb. 3a) und D_y = 250 nm (Abb. 3b). Abb. 3a: Resonanzen rotverschoben von 490 nm auf 590 nm bei g von 410–510 nm. Einstellbereich 100 nm. Schmalste FWHM 29,9 nm bei g = 470 nm. Abb. 3b: Resonanzen rotverschoben von 580 nm auf 691 nm bei g von 490–610 nm. Einstellbereich 111 nm. Schmalste FWHM 31,8 nm bei g = 530 nm. Einstellbereich 2-fach größer als Ref. [39] und besser als frühere Refs. [37, 38, 40]. Abb. 3c, d: Beziehungen Resonanzen und g-Werte zu Abb. 3a, b. Resonanzen linear rotverschoben um 9,2 nm pro 10 nm g-Inkrement (Abb. 3c) und 9,0 nm (Abb. 3d). Einstellbereiche 90,5 nm und 110,7 nm. Korrelationskoeffizienten 0,99950 und 0,99969. Alle Reflexionsspektren near-perfekte Absorptionen. Solche TAM-Designs dienen als ultrasensitive Farbfilter oder in diversen Sensing-Anwendungen.

Abb. 3 Reflexionsspektren von TAM mit verschiedenen g-Werten bei a D_y=200 nm, b D_y=250 nm. c, d Beziehungen Resonanzen und g-Werte zu a und b.

Zur Verbesserung von FWHM und Einstellwellenlängenbereich bei Erhalt near-perfekter Absorption wird TLNM vorgeschlagen (Abb. 1a). Da Nanostruktur-Patterning immer unter Randeffekten und Fertigungsabweichungen leidet, ist das geometrische Muster als elliptisches Loch gestaltet. Parameter D_x, D_y repräsentieren Haupt- und Nebenachsen entlang x- und y-Richtung. K_x, K_y konstant 1,2, D_x = 110 nm. Abb. 4a zeigt Reflexionsspektren von TLNM mit vier Kombinationen von D_y und g. t konstant 200 nm. TLNM zeigt perfekte Absorption mit ultra-schmaler Bandbreite über gesamten sichtbaren Bereich. FWHM-Werte: 3 nm. Ultra-schmale FWHM durch F-P-Resonanz bedingt, bestimmt durch:

FWHM = λ_q² / (2πg) · (1−R)/√R (2)

wobei λ_q Resonanzwellenlänge, q Modenindex, g F-P-Hohlraumlänge, R Reflexionsintensität der F-P-Resonatoroberflächen zwischen unterer Al-Metasurface und oberer Al/LN-Metasurface. FWHM lässt sich durch höhere Reflexionsintensität von TLNM reduzieren – optische Leistung stark verbessert durch LN-Material. Beziehung Resonanzen und D_y in Abb. 4a zusammengefasst in Abb. 4b. Resonanzen linear rotverschoben von 427 nm auf 673 nm bei D_y Erhöhung von 250–500 nm. Korrelationskoeffizient 0,97815 – lineare Einstellbarkeit demonstriert.

Abb. 4 a Reflexionsspektren von TLNM mit verschiedenen D_y und g Werten. b Beziehung Resonanzen und D_y Werte.

Die freitragende elliptische LN-Metasurface ist beweglich und per MEMS-Technologie direkt modifizierbar für optische Einstellbarkeit. Abb. 5a, b: Reflexionsspektren von TLNM mit verschiedenen g-Werten bei D_y = 350 nm, t = 210 nm (Abb. 5a) und D_y = 450 nm, t = 280 nm (Abb. 5b). Abb. 5a: Erhöhung g von 390–570 nm → Resonanzen rotverschoben von 465,9 nm auf 553,5 nm. Abb. 5b: Erhöhung g von 540–780 nm → Resonanzen rotverschoben von 613,6 nm auf 731,2 nm. Abb. 5c, d: Beziehungen Resonanzen, g-Werte und FWHM-Werte zu Abb. 5a, b. Resonanzen sehr linear rotverschoben. Korrelationskoeffizienten 0,99864 und 0,99950. Fall D_y=350 nm, t=210 nm: Einstellbereich 87,6 nm, durchschnittliche FWHM 3 nm (Abb. 5c). Fall D_y=450 nm, t=280 nm: Einstellbereich 117,6 nm, durchschnittliche FWHM 4 nm (Abb. 5d). Schmalste FWHM 1,5 nm bei 466 nm (Abb. 5a) und 3,2 nm bei 615 nm (Abb. 5b). Verglichen mit TAM: FWHM von TLNM mindestens 10-fach verbessert bei Erhalt perfekter Absorption. Große optische Leistungssteigerung durch LN-Metasurface. TLNM potenziell nutzbar für ultrasensitive Farbfilter, Absorber, Detektoren, Sensoren dank ultra-schmalbandig, perfekter Absorption, großem Einstellbereich.

Abb. 5 Reflexionsspektren von TLNM. Parameter optimiert für maximalen Einstellbereich bei a D_y=350 nm, t=210 nm, b D_y=450 nm, t=280 nm. c, d Beziehungen Resonanzen, g-Werte und FWHM zu a und b.

Um zu prüfen, ob TAM und TLNM in praktische Anwendungen (z. B. Umweltsensoren) implantiert werden können, werden sie in Umgebungen mit verschiedenen Umgebungsbrechungsindizes (n) betrieben. Abb. 6 zeigt Reflexionsspektren von TAM in Umgebungen mit n = 1,0–1,3. Geometrie konstant: D_x=110 nm, D_y=200 nm, g=450 nm. Zwei Resonanzen rotverschoben mit Einstellbereichen 84,6 nm (ω₁) und 172,1 nm (ω₂). Beziehungen Resonanzen und n-Werte in Abb. 6b. Empfindlichkeiten: 246,7 nm/RIU und 481,5 nm/RIU; FOMs: 11 und 14 für erste (ω₁) und zweite (ω₂) Resonanz. Hohe Empfindlichkeiten durch schmale FWHM: 21,6 nm (ω₁) und 34 nm (ω₂). Gut geeignet für pragmatische Sensing-Anwendungen.

Abb. 6 a Reflexionsspektren von TAM in Umgebungen mit verschiedenen Brechungsindizes (n). b Beziehung Resonanzen und n-Werte.

Nachteil: Reflexionsintensität von ω₁ relativ hoch, ω₂ steigt auf >20 % bei n=1,3. Zur Überwindung: TLNM designed für stabile optische Eigenschaften dank LN-Metasurface-Charakteristika. Abb. 7 zeigt Reflexionsspektren von TLNM in Umgebungen mit verschiedenen n bei D_y=350 nm, t=210 nm, g=490 nm (Abb. 7a) und D_y=450 nm, t=280 nm, g=580 nm (Abb. 7b). Abb. 7a: Resonanzen rotverschoben mit Einstellbereich 58,4 nm bei n von 1,0–1,2. Abb. 7b: Resonanzen rotverschoben mit Einstellbereich 78,2 nm bei n von 1,0–1,2. In beiden Fällen near-perfekte Absorption – Reflexionsintensitätsschwankung <5 %. Spektren stabiler als TAM. Beziehungen Resonanzen und n in Abb. 7c, d. Fall D_y=350 nm, t=210 nm, g=490 nm: Empfindlichkeit 291,4 nm/RIU, durchschnittliche FWHM 3 nm, FOM 97 (Abb. 7c). Fall D_y=450 nm, t=280 nm, g=580 nm: Empfindlichkeit 390,3 nm/RIU, durchschnittliche FWHM 4 nm, FOM 97,5 (Abb. 7d) – 7-fach Verbesserung gegenüber TAM (Abb. 6). TLNM zeigt bessere Sensing-Leistung für Umweltsensor-Anwendungen.

Abb. 7 Reflexionsspektren von TLNM in Umgebungen mit verschiedenen n bei a D_y=350 nm, t=210 nm, g=490 nm, b D_y=450 nm, t=280 nm, g=580 nm. c, d Beziehungen Resonanzen, n-Werte und FWHM.

Fazit

Zusammenfassend präsentieren wir zwei Designs einstellbarer hocheffizienter Farbfilter basierend auf freitragenden rechteckigen Al- und elliptischen LN-Metasurfaces auf Si-Substrat mit Al-Spiegelsschicht. Durch Variation von D_x, g, t bei TAM und TLNM können elektromagnetische Antworten perfekte Absorption mit ultra-hoher Effizienz über gesamten sichtbaren Spektralbereich erzielen. Durch Erhöhung von g lassen sich Resonanzen von TAM und TLNM um 110,7 nm bzw. 117,6 nm abstimmen. Für Umweltsensing: TAM ultra-hohe Empfindlichkeit 481,5 nm/RIU, TLNM ultra-hoher FOM 97,5. FWHM von TLNM maximal 10-fach verbessert, FOM 7-fach gesteigert gegenüber TAM. Angesichts ultra-schmalbandiger Charakteristika (besonders FWHM 3 nm für TLNM), perfekter Absorption und großem Einstellbereich – selten im sichtbaren Spektrum simultan berichtet durch Implantation von Al- oder LN-Metasurface – zeigen vorgeschlagene Bauelemente Potenzial für viele Anwendungen: ultrasensitive Farbfilter mit hoher Farbreinheit, hochauflösende Displays und Imaging-Techniken, hocheffiziente einstellbare Absorber für integrierte Optik, Brechungsindexsensoren etc. Unter diesen Anwendungen zeigt TLNM höhere FOM und schmalere FWHM, während TAM höhere Empfindlichkeit für Brechungsindexsensoren besitzt.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle im Rahmen dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

Abkürzungen

MCFs:

Metasurface-Farbfilter

LN:

Lithiumniobat

TAM:

Einstellbare Aluminium-Metasurface

TLNM:

Einstellbare LN-Metasurface

F-P:

Fabry-Perot

FOM:

Figure-of-Merit (Gütefaktor)

IR:

Infrarot

THz:

Terahertz

FDTD:

Finite-Difference Time-Domain

PML:

Perfectly Matched Layer