Эффективный поляризационный светоделитель на основе полностью диэлектрической метаповерхности в видимой области

Введение

В последние годы огромное внимание привлекли метаповерхности, двумерные субволновые структуры, состоящие из наноантенн в конфигурации массива. Метаповерхность может управлять падающим светом в субволновом масштабе, потому что ее сверхтонкая структурированная толщина приводит к резким изменениям параметров падающего луча. Например, фазой [1,2,3,4,5], амплитудой [6,7,8,9] и поляризацией [10,11,12,13] падающих лучей можно управлять, регулируя форму , размер и ориентация субволновых наноантенн. По сравнению с обычными объемными материалами, устройства с метаформовкой легче изготавливать, а их сверхтонкая толщина на оптическом пути может значительно снизить потери при передаче. Основываясь на вышеупомянутых захватывающих преимуществах, метаповерхности использовались во многих приложениях, таких как преобразователь поляризации [11,12,13], полноцветная печать [14], голография [15], плоские линзы [16], генерация оптических вихрей [ 4, 17] и расщепление спектра [18,19,20,21].

Изначально металлические наноструктуры использовались для создания метаповерхностей с отклонением луча [1, 22, 23]. Требуемое покрытие фазы 2π обычно может быть достигнуто двумя способами. Один генерирует два независимых резонанса, каждый из которых вносит фазовый сдвиг на π. Другой - пространственно повернуть поляризационно-зависимые субволновые резонаторы от 0 ° до 180 °. Однако потери поглощения металлических метаповерхностей ограничивают эффективность в режиме передачи. Полностью диэлектрические метаповерхности были недавно предложены вместо металлических из-за их низких потерь на поглощение [24,25,26,27,28]. На сегодняшний день продемонстрированы три различных подхода для реализации фазового сдвига 2π в полностью диэлектрических метаповерхностях, геометрической фазе [27], резонансе Ми [2, 4, 7] и резонансе Фабри – Перо [3, 28]. Первый метод аналогичен описанному выше второму способу металлической метаповерхности; он работает для света с круговой поляризацией. Второй механизм охватывает полный фазовый диапазон 2π на основе спектрального перекрытия магнитного и электрического резонансов; метаповерхность, созданная на основе этого метода, также известна как метаповерхность Гюйгенса. Третий метод, как и тот, который используется в этой статье, использует наноантенны с высоким соотношением сторон для получения желаемого контроля фазы. В этом случае антенны можно рассматривать как усеченные волноводы, а фаза передачи регулируется эффективным показателем преломления основной моды в диэлектрических антеннах разных размеров. Кремний обычно применяется в полностью диэлектрических устройствах с метаповерхностями [2, 3, 4] из-за его высокого показателя преломления, низких потерь и зрелого технологического процесса. Что касается некоторых других материалов с низким показателем преломления, таких как кремнезем (SiO ₂ ), нитрид кремния (Si ₃ N ₄ ) и диоксид титана (TiO ₂ ), их потери можно не учитывать, но более высокое соотношение сторон затрудняет изготовление.

Поляризационный светоделитель, устройство, которое может разделять оптический луч на два ортогонально поляризованных компонента, распространяющихся по разным путям, является важным компонентом оптических систем. Поляризационные светоделители, описанные в литературе, в основном разработаны на основе следующих структур, включая субволновые структуры [29,30,31], гибридные плазмонные элементы связи [32], решетки [33], структуры с многомодовой интерференцией (MMI) [34] и несимметричные направленные ответвители [35, 36]. Фарахани и Мосаллаи [29] предложили метаповерхность инфракрасного отражающего массива для переизлучения падающего света на два ортогонально поляризованных отражающих луча. Guo et al. В [30] разработан поляризационный разделитель на основе кремниевых метаповерхностей на определенной длине волны 1500 нм. В данной работе мы предлагаем простой светоделитель с отклоненной поляризацией на большой угол на основе диэлектрической метаповерхности, который состоит из различных решеток кремниевых резонаторов крестообразной формы на кремниевой подложке. Когда x - или y -поляризованный свет падает нормально, направление поляризации проходящего света такое же, как и у падающего света. При длине волны 583 нм угол отклонения составляет 46,78 °, а эффективность отклонения составляет 63,7% при x . -поляризованное падение, при этом эффективность отклонения составляет 66,4%, а угол отклонения составляет -46,78 ° для y -поляризованный. Кроме того, предлагаемое устройство способно разделять линейно поляризованный свет на x - и y -поляризованные. Особенно, когда поляризация падающего света находится под углом 45 ° к x По оси два ортогонально поляризованных прошедших луча обладают примерно равной интенсивностью в диапазоне длин волн от 579 до 584 нм.

Методы

На рисунке 1 схематично изображена конфигурация предлагаемого поляризационного светоделителя, который сконструирован на основе полностью диэлектрической метаповерхности. Метаповерхность состоит из массива кремниевых блоков крестообразной формы, размещенных на кремнеземной подложке. Оптические постоянные кремния взяты из [37], показатель преломления кремнезема равен 1,45. Высота кремниевого блока h установлено 260 нм; период элементарной ячейки вдоль x - и y -направления оптимизированы для Px =200 нм и Py =200 нм. Численное моделирование выполняется с помощью трехмерных конечно-разностных моделей во временной области (FDTD), в которых периодические граничные условия применяются в обоих x - и y -направления и идеально согласованные слои используются вдоль z -направление. Плоская волна обычно падает снизу подложки. Массив кремниевых наноблоков в форме креста можно рассматривать как состоящий из двух перпендикулярных массивов кремниевых блоков. Один массив состоит в том, что длины w антенн вдоль x -оси остаются неизменными, в то время как длины Ly по y - изменение оси, чтобы вызвать градиент фазы под y -поляризованная заболеваемость. Напротив, другой вводит фазовый градиент для x -поляризованное освещение изменением длины Lx антенн вдоль x -направление и соблюдение длин w по y -постоянная ось.

Схематическая конфигурация предлагаемой крестообразной метаповерхности, действующей как поляризационный светоделитель

Во-первых, мы проектируем массив фазовых градиентов под y -поляризованная заболеваемость. Как показано на рис. 2a и b, мы вычисляем передачу и фазовую характеристику периодических кремниевых блоков, изменяя ширину w от 60 до 75 нм и длиной Ly от 60 до 200 нм на длине волны 583 нм. Полное покрытие фазы 2π не может быть получено при ширине w меньше 61,5 нм, но интенсивность пропускания уменьшается по мере увеличения ширины w увеличивается. Между тем, учитывая производственный процесс, ширина w элементарной единицы фиксируется равной 70 нм, а длина Ly изменяется для обеспечения полного управления фазой передачи 2π, как показано на фиг. 2c. Передача и фазовая характеристика как функция длины Ly на длине волны 583 нм изображены на рис. 2г. Для большого угла разделения выбираются четыре различных единицы измерения, охватывающие диапазон фаз от 0 до 2π, длины Ly из четырех элементов: Ly ₁ =169 нм, Ly ₂ =122 нм, Ly ₃ =103 нм и Ly ₄ =70 нм соответственно. Согласно обобщенному закону Снеллиуса угол аномального преломления θ _t можно получить по формуле

где n _t и н _я - показатель преломления передаваемой и падающей среды соответственно, θ _я - угол падения, λ ₀ длина волны падающего в вакууме, dx и dϕ расстояние и разность фаз между соседними блоками вдоль x -направление. В нашем случае значение dϕ равно - π / 2 для y -поляризованное падение, которое достигается за счет постепенного уменьшения длины Ly наноблоков вдоль x -положительное направление, как массив A, изображенный на рис. 2e. Для реализации функции поляризационного расщепления разность фаз dϕ устанавливается на π / 2 под x -поляризованная заболеваемость. Здесь длины Lx из четырех блоков вдоль x -положительное направление составляет 70 нм, 103 нм, 122 нм и 169 нм соответственно, а ширина w сохранить то же значение 70 нм, что и массив B, показанный на рис. 2e. Наконец, два вышеуказанных массива объединены в один крестообразный массив, чтобы сформировать метаповерхность поляризационного светоделения, а массивы A и B демонстрируют фазовые градиенты для y - и x -поляризованный падающий свет соответственно.

Дизайн метаповерхности. а Трансмиссия и b фазовая характеристика как функция ширины w и длина Ly на длине волны 583 нм . c Одна единица метаповерхности за y -поляризованная заболеваемость. г Зависимость пропускания и фазовой характеристики периодических наноблоков шириной 70 нм от длины Ly . е Методика проектирования предлагаемой метаповерхности поляризационного светоделителя (вертикальный вид). Здесь мы сортируем единицы слева направо как unit1, unit 2, unit 3 и unit 4

Результаты и обсуждения

Оптические характеристики крестообразной метаповерхности, выступающей в качестве поляризационного светоделителя, моделируются трехмерным методом FDTD. В нашем случае значение dx составляет 200 нм, dϕ равно π / 2, −π / 2 для x - и y -поляризованная заболеваемость соответственно. Согласно формуле. (1) аномально прошедший луч отклоняется под углом 46,78 ° под x -поляризованное нормальное падение на длине волны 583 нм. Распределение прошедшего электрического поля при x -поляризованное освещение в x-z Плоскость изображена на рис. 3а. Наблюдаемый угол дифракции 46,78 ° от профиля волнового фронта согласуется с теоретическим результатом. Результат моделирования на рис. 3b показывает, что нормализованная интенсивность в дальней зоне при x -поляризованная заболеваемость. Общая эффективность передачи составляет 69,7%, а эффективность отклонения составляет 63,7%, что в основном обусловлено отражательной способностью интерфейса (12,5%), поглощением кремния (17,8%) и другими порядками дифракции (6%). Здесь эффективность отклонения определяется как интенсивность отклоненного луча в желаемом порядке дифракции (+1, -1 порядок для x - и y -поляризованная частота), нормализованная к общей интенсивности инцидента. Когда линейный y -поляризованный свет падает нормально, распределение напряженности электрического поля и нормированного поля в дальней зоне на длине волны 583 нм показано на рис. 3c и d соответственно. Угол отклонения составляет -46,78 °, а соответствующая эффективность отклонения составляет 66,4%, а общая эффективность трансмиссии составляет 75,2%. Отражение может быть в основном вызвано высоким показателем преломления кремния и обратным рассеянием от края, а собственные потери кремния в видимой области приводят к высокому поглощению. Если не учитывать потери на поглощение в нашем случае, общая эффективность передачи может достигать около 90% для двух вышеупомянутых падений, что сопоставимо со значениями в [30]. Угол отклонения зависит от многих параметров согласно формуле. (1), поэтому им можно манипулировать для удовлетворения наших потребностей, регулируя такие параметры, как период по направлению градиента фазы, рабочую длину волны и другие параметры.

Распределение электрического поля вблизи метаповерхности в x-z самолет под a x -поляризованный и c г -поляризованная заболеваемость. Нормализованные распределения интенсивности поля в дальней зоне для b x -поляризованный и d г -поляризованный нормально падающий свет. Рабочая длина волны составляет 583 нм, а угол передачи определяется как положительное (отрицательное) значение в правой (левой) части нормали

Линейно поляризованная плоская волна ( E ) всегда можно разложить на две ортогональные компоненты ( Ex и Ey ), которые одновременно возбуждают два независимых резонансных поля в x - и y -направления. Следовательно, когда линейно поляризованная плоская волна обычно падает на метаповерхность, ее можно разложить на x- и y -поляризованные, которые могут вызывать противофазные градиенты вдоль x -направление. На рисунке 4а показано, что на схеме рабочего механизма предлагаемого поляризационного светоделителя падающий луч будет разделен на x - и y -поляризованные, соответствующие углы отклонения равны θ _т и - θ _т , которые определяются рабочей длиной волны. Интенсивность двух передаваемых сигналов определяется поляризованным углом падающего света. Когда поляризация падающего света находится под углом 45 ° к x -ось, x - и y -поляризованные распределения прошедшего электрического поля, извлеченные из общего прошедшего поля, как показано на рис. 4c, что также подтверждает функцию поляризационного расщепления этого предлагаемого устройства. Нормированное распределение интенсивности в дальней зоне для рабочей длины волны 583 нм показано на рис. 4b; Интенсивность двух выходных лучей равна 0,336. Общая интенсивность передачи I _вне составляет 0,726, поэтому эффективность полного выходного света, отклоненного до порядка дифракции +1 ( x -поляризация) и - 1 порядок ( y -поляризация) составляют 46,3%. Здесь интенсивность 0-го порядка дифракции составляет 7,4% от общего пропускания, которое можно подавить путем дальнейшей оптимизации геометрических параметров или форм. Кроме того, x - и y -поляризованные проходящие световые лучи обладают примерно равной интенсивностью (∣ I _{x - pol .} - Я _{y - pol .} ∣ / Я _{x - pol .} <2%) при угле поляризации 45 ° в диапазоне длин волн от 579 до 584 нм. Соответствующие углы отклонения и интенсивности пропускания на разных длинах волн приведены в таблице 1.

а Рабочий механизм предлагаемого поляризационного светоделителя (вид спереди). б Нормированная интенсивность дальнего поля. c Извлеченные переданные x -поляризованный (слева) и y -поляризованное (справа) распределение электрического поля спроектированной метаповерхности при нормальном падении поляризованного света под 45 ° на длине волны 583 нм

В вышеупомянутом процессе проектирования мы в идеале предполагаем, что фаза и характеристика передачи в x ( г ) - на поляризованную заболеваемость не влияет период в y ( x )-направление. Чтобы доказать это, мы анализируем влияние периода в y ( x ) -направление по фазе и пропускание при x ( г ) -поляризованный свет падает на однородные метаповерхности, построенные блоками 1, 2, 3 и 4 в массиве B (A) соответственно. На рисунках 5 а и б показано, что когда период Py в y -направление варьируется от 190 до 210 нм, фазовые изменения четырех типов метаповерхностей всегда меньше 0,05π, а передачи почти не меняются при x -поляризованная заболеваемость. То же явление происходит, когда период Px в x -направление варьируется от 190 до 210 нм при y -поляризованная частота, как показано на рис. 5c и d. Мы думаем, что фазовая характеристика и передача ниже x ( г ) - поляризованная частота почти не зависит от периода в y ( x ) -направление в данном случае. Таким образом, наш процесс проектирования нагляден, а метод очевиден. В [30], чтобы ввести два противоположных градиента фазы передачи для линейно x -поляризация и y -поляризация по x -направление, геометрические параметры единицы измерения, ширина и длина одновременно выбираются путем расчета фазовой характеристики, изменяющейся с двумя параметрами под x и y линейно поляризованное падение. Четких правил выбора ширины и длины агрегатов нет.

Фазовая характеристика и передача как функции периода в y ( x ) -направление, когда x ( г ) -поляризованный свет падает на однородные метаповерхности, построенные блоками 1, 2, 3 и 4 массива B (A) соответственно. а фазовая характеристика и b передача как функции Py . c фазовая характеристика и d передача как функции Px

Выводы

Таким образом, мы разработали поляризационный светоделитель на основе полностью диэлектрической метаповерхности в видимой области. Метаповерхность состоит из крестообразных массивов кремниевых наноблоков, размещенных поверх диэлектрической подложки из диоксида кремния. Когда падающий свет поляризован под углом 45 ° относительно x -направление, одинаковые интенсивности x - и y -поляризованные выходные сигналы составляют 0,336 на рабочей длине волны 583 нм, что составляет 46,3% от общей интенсивности передачи. Кроме того, предлагаемое устройство демонстрирует характеристики поляризационного светоделения равной мощности при падении с поляризацией под углом 45 ° в диапазоне длин волн от 579 до 584 нм. Мы ожидаем, что поляризационный светоделитель найдет применение в будущих полностью оптических интегрированных устройствах.

Сокращения

dx :

Расстояние между соседними блоками по x -направление

dϕ :

Разность фаз между соседними блоками по x -направление

FDTD:

Конечная разность во временной области

I _вне :

Общая интенсивность передачи

I _{x-pol .} :

Интенсивность x -поляризованный проходящий луч

I _y-pol. :

Интенсивность y -поляризованный проходящий луч

MMI:

Многомодовые помехи

n _я :

Показатель преломления падающей среды

n _t :

Показатель преломления передаваемой среды

Si ₃ N ₄ :

Нитрид кремния

SiO ₂ :

Кремнезем

TiO ₂ :

Диоксид титана

θ _я :

Угол падения

θ _t :

Угол аномального преломления

λ ₀ :

Длина волны падающего излучения в вакууме