Широкополосная ультратонкая четвертьволновая пластина передачи с решеткой прямоугольных отверстий на основе плазмонных резонансов

Введение

Растет интерес к управлению поляризацией света в различных оптических приложениях, таких как поляризаторы, волновые пластины и линзы. Среди них волновые пластины являются важными фотонными компонентами, поскольку они могут вносить определенную разность фаз, такую ​​как π / 2 и π, для получения разного поляризованного света, чтобы получить четверть или полуволновую пластину. Традиционная конструкция волновой пластины использует двойное лучепреломление кристаллов, чтобы наложить различные фазы на падающий свет. Однако эффект двойного лучепреломления в природных кристаллах очень слаб, в результате чего волновые пластины имеют толщину в несколько сотен микрон. Громоздкие оптические компоненты часто страдают трудностями в интеграции и глубиной фазовой модуляции [1,2,3,4]. В последние годы появление нанофотоники открыло новое направление для изучения взаимодействия света и материи. В частности, нанофотонные устройства (толщиной около десятков нанометров) могут преодолевать дифракционный предел без электромагнитных помех. У него большой потенциал в замене крупногабаритных устройств. Среди них все большее внимание привлекают нанофотонные устройства на основе метаповерхности. Развитие теории метаповерхностей и технологий изготовления позволяет разрабатывать наноустройства [5].

Метаповерхности - это плоские структуры, которые локально изменяют поляризацию, фазу и амплитуду света при отражении или пропускании, что позволяет создавать плоские оптические компоненты с литографическим рисунком, функциональность которых определяется конструкцией. Обычно он имеет толщину меньше длины волны. В процессе передачи или отражения анизотропные метаповерхности создают разные фазы и амплитуды, соответствующие TE- и TM-волнам, что обеспечивает большую гибкость при проектировании функциональных метаповерхностей. Мы можем использовать это для проектирования линз, фазовых пластин, волновых пластин, поляризаторов, светоделителей, генераторов произвольных векторных лучей и т. Д. [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17].

Четвертьволновые пластины метаповерхности, основанные на плазмонных резонансах, являются одной из горячих точек в последние годы [18,19,20,21,22,23,24], и опубликованные на временной шкале литературные источники указывают на постоянный прогресс в этой области. В 2011 году Zhao et al. спроектировали и исследовали характеристики ортогональных удлиненных серебряных наностержней в качестве широкополосной четвертьволновой пластины. Он может вносить фазовый сдвиг на 90 ° на толщину 60 нм [25]. Вдохновленная принципом Бабине, в 2013 году та же группа разработала четвертьволновую пластину с нанощелями и достигла преобразования круговой поляризации в линейную (CTL) в области видимого света. Толщина металлического слоя уменьшена до 40 нм [26]. Две указанные выше конструкции имеют широкую полосу поляризации CTL. Однако трудно добиться одинаковой амплитуды двух ортогонально поляризованных лучей. Вскоре после новаторской работы Чжао и др. В 2012 году Робертс и др. предложил четвертьволновую пластину с периодической решеткой крестообразных отверстий в серебряной пленке. Эффективность передачи и фаза (для фиксированной ширины плеча) волновой пластины чувствительны к длине соответствующего плеча. Преобразование линейной поляризации в круговую (LTC) достигается на некоторых дискретных длинах волн от 710 до 760 нм, а толщина серебряной пленки составляет 140 нм [27]. Он может хорошо обеспечивать поляризацию LTC, но длина волны фиксируется только на определенных длинах волн, а металлический слой относительно толстый. Аналогичным образом, основываясь на анизотропии, вызванной длиной плеча в ортогональных направлениях, в 2013 году Yang et al. предложил четвертьволновую пластину, состоящую из периодической планарной решетки симметричных L-образных плазменных антенн. Эллиптичность проходящего света может достигать 0,994 на длине волны 1550 нм. Ширина полосы с эллиптичностью больше 0,9 составляет 80 нм [28]. Круговая поляризуемость волновой пластины почти равна единице, но ее ширина полосы не идеальна. Тщательно спроектировав наноантенны в суперинтентах, в 2015 году Ли и др. получили четвертьволновую пластину, состоящую из массива золотых наностержней толщиной 20 нм. Теоретически он может реализовать преобразование поляризации CTL и обратное преобразование около 1550 нм. Круговая поляризуемость составляет 0,67, а эффективность передачи - 0,4 [29]. Ультратонкая структура может реализовать поляризацию ЦТЛ в широкой полосе, но эллиптичность (отношение амплитуд) поляризации ЦТЛ на длине волны 1550 нм является низкой. Кроме того, в 2017 году Zhu et al. предложена четвертьволновая пластина с ломаной прямоугольной кольцевой решеткой. Он образован двумя парами щелей с перпендикулярной ориентацией, внедренными в серебряную пленку толщиной 10 нм. Он имеет полосу поляризации CTL 120 нм. Кроме того, волновая пластина может обеспечивать преобразование LTC с круговой поляризуемостью 0,97, а эффективность передачи составляет 0,4 на длине волны 1550 нм [30]. Он обеспечивает высокое преобразование поляризации за счет полосы пропускания.

В приведенных выше примерах, как правило, как идеальная миниатюрная четвертьволновая пластина передачи, используемая в диапазоне связи, она должна иметь следующие характеристики:во-первых, она может реализовывать преобразование поляризации CTL (поляризации LTC) в широкой полосе частот. Во-вторых, он может достичь круговой поляризуемости около единицы на 1550 нм. В-третьих, общий коэффициент пропускания должен быть как можно более высоким (максимальное пропускание ультратонкой четвертьволновой пластины без потерь должно быть 0,5, рассчитанное по теории поверхностной проводимости). В-четвертых, он должен быть ультратонким и экономичным. Но на данный момент большинство из них все еще являются теоретическими разработками, и было проведено несколько экспериментов. Поскольку отношение высоты к ширине слишком велико, или структурные параметры слишком чувствительны к ошибкам и т. Д., Это повлияет на характеристики фактических четвертьволновых пластин.

Основываясь на четырех вышеперечисленных характеристиках, мы предлагаем четвертьволновую пластину для передачи, используемую в диапазоне связи. Элементарная ячейка состоит из серебряной пленки с отверстиями толщиной 27 нм и кремнеземной подложки. Конструкция с четырьмя отверстиями позволяет избежать недостатка узкой полосы пропускания одиночного резонатора. Они могут усиливать локализованные поверхностные плазмоны, тем самым увеличивая фазовую анизотропию, вызывая резкие фазовые сдвиги и значительно уменьшая толщину металлического слоя. Кроме того, волновая пластина может достигать разности фаз 90 ° в полосе пропускания 525 нм. В частности, круговая поляризуемость близка к единице с эффективностью передачи 0,44 на длине волны 1550 нм.

Методы

На рис. 1 схематически изображена элементарная ячейка предлагаемой плазмонной четвертьволновой пластины - серебряной пленки, выкапывающей дыры, помещенной на кремнеземную подложку. Четыре прямоугольных отверстия расположены в два ряда и два столбца. Волновая пластина, погруженная в среду воздуха с показателем преломления n =1. Кремнезем считается недисперсным (\ ({\ varepsilon} _ {SiO_2} =1.47 \)), а диэлектрическая проницаемость серебра описывается моделью Друде [25]:

Схема четвертьволновой пластины. Свет обычно падает снизу. а Трехмерный вид четвертьволновой пластины. б Вид сверху на строение объекта

где ε _∞ =5, f _p =2,175 ПГц и γ =4,35 ТГц. Толщина кремнеземной подложки и серебряной пленки зафиксирована на уровне H . ₁ =30 нм и H ₂ =27 нм, период единицы P _x =1200 нм и P _y =500 нм, длина и ширина серебряной пленки L _x =450 нм и L _y =480 нм соответственно. Внутренние размеры проемов W _y =80 нм остается фиксированным, а длина W _x переменная. Центр апертур - x =± 75 нм, y =± 110 нм. Численное моделирование выполняется методами трехмерной конечно-разностной временной области (FDTD), в которых периодические условия применяются в x- и y- направления, и идеально совпадающие слои используются вдоль z- направление, чтобы убедиться, что полное поглощение возбуждающего света без отражения. Плоские волны обычно падают из-под подложки в диапазоне длин волн от 1000 до 2000 нм. Т - нормализованный общий коэффициент пропускания, а коэффициент пропускания в x- и y -направления: T _x и T _y , соответственно. Сначала рассмотрим характеристики передачи ультратонкой плоской метаповерхности с субволновой толщиной d ≪ λ ₀ размещен на плоскости z =0. Передачу можно просто выразить с помощью матрицы Джонса:

где T _ij представляет собой комплексную амплитуду прошедшей волны, линейно поляризованной в i направление для возбуждения в j направление. Таким образом, T _xx и T _гг - коэффициенты передачи кополяризации, а T _xy и T _yx - коэффициенты передачи кросс-поляризации. Представьте, что падающая плоская волна распространяется вдоль + z -направление, электрическое поле можно выразить как:

где ω представляет частоту, k - волновой вектор, а I _x , Я _y - комплексные амплитуды. Матрица I =\ (\ left (\ begin {array} {c} {I} _x \\ {} {I} _y \ end {array} \ right) \) определяет состояние поляризации и общую интенсивность волны. Когда линейно поляризованный свет падает нормально под углом поляризации 45 ° к x- ось, ∣ I _x ∣ =| Я _y ∣ =\ (\ frac {1} {\ sqrt {2}} \). Передаваемое электрическое поле можно описать как:

Поля инцидента и передачи коррелируются матрицей Джонса: E _т =T E _в , то есть

Для среды, не имеющей эффекта преобразования линейной поляризации ( T _xy и T _yx равно нулю [25, 27]), передаваемое поле можно выразить как [16]:

Разность фаз составляет △ φ =φ _y - φ _x между коэффициентами передачи T _xx и T _гг . Для четвертьволновой пластины △ φ должно быть равно (2 m + 1) π / 2 , где м является целым числом.

Результаты и обсуждения

Смоделированные фазовые сдвиги φ _x , φ _y различия показаны на рис. 2а. △ φ резко падает на 1200 нм и в конечном итоге стабилизируется около △ φ =90 °. Кривые пропускания и разность фаз около 1550 нм показаны на рис. 2б. Обычно четвертьволновая пластина с разностью фаз 90 ° ± 5 ° может рассматриваться как нормально работающая. Для 1328 нм △ φ =95 °, а для 1853 нм △ φ =85 °, это означает, что в пределах полосы пропускания ближнего инфракрасного излучения 525 нм наша конструкция может реализовать преобразование круговой поляризации в линейную поляризацию. Это превосходно для текущей опубликованной полосы пропускания четвертьволновой пластины в ближнем инфракрасном диапазоне.

Результаты моделирования предложенной конструкции. а Фаза T _x , Т _y и есть разница, когда W _x =100 нм. б Коэффициент пропускания T , Т _x и T _y , и разность фаз двух трансмиссионных огней. c Т _x и T _y кривые, когда W _x изменения. Небольшое изображение представляет собой подробную диаграмму около 1550 нм. Он показывает тенденции изменения T _x , Т _y , общий коэффициент пропускания T , и разность фаз на длине волны связи

Измененный размер W _x дыры по-разному влияет на x- и y- поляризация. На рисунке 2c показан коэффициент пропускания при W _x изменения. Пик T _y и очень резкий пик T _x на 1200 нм относятся к P _x =1200 нм. Условие возникновения аномалий Вуда: λ =p ( грех θ _я + 1) [31, 32] и θ _я 0 для нормально падающей волны; следовательно, пик возникает, когда λ =P _x . Также при уменьшении P _y , долина T _x смещается в сторону коротких волн, а T _y перемещается в сторону длинных волн, что приводит к изменению длины волны и коэффициента пропускания, соответствующих пересечению двух кривых. Кроме того, на маленьком изображении показаны пересечения T _x и T _y когда W _x изменяется от 50 до 100 нм. Означает эллиптичность | T _y | / | Т _x | =1, так что предлагаемая структура может реализовать преобразование четвертьволновой пластины из поляризации LTC. Эффективность составляет около 0,44, что близко к идеальному коэффициенту пропускания 0,5, подтвержденному методом поверхностной проводимости в предыдущей литературе [28]. Причем при ширине апертуры W _x увеличивается с 50 до 100 нм, рабочая длина волны сдвигается с 1518 (коэффициент пропускания около 0,43) до 1550 нм (коэффициент пропускания около 0,44). Это означает, что предлагаемая работа имеет хорошую надежность и полезна для экспериментальной подготовки.

Мы численно анализируем резонансы электрических и магнитных диполей (ED и MD) при x-pol. и y-pol. при разных Вт _x . Из рис. 3a, b видно, что MD-резонанс практически отсутствует в двух направлениях поляризации и существует ED-резонанс на длине волны 1550 нм для x- поляризация и 1600 нм для y- поляризация. На рисунке 3c показаны напряженность и направление электрического поля при x-pol. падения (λ =1550 нм) и рис. 3d для y-pol. (λ =1600 нм). Резонансы ЭД видны с направления, указанного векторными стрелками. Изменение W _x мало влияет на дипольный резонанс x-pol. , но y-pol. относительно затронут. Изменяя диапазон аномалии Вуда и положение электрического диполя, можно лучше контролировать передачу, фазу и поляризацию нашей конструкции. Это позволяет нам получить лучшие характеристики четвертьволновой пластины в ближнем инфракрасном диапазоне. Он также предлагает новую идею для дизайна метаповерхностной волновой пластины [33,34,35,36,37,38,39,40,41].

а Интенсивность резонансов ЭД. б Интенсивность МД-резонансов. c, d Напряженность электрического поля и векторы x-pol. и y-pol. заболеваемость соответственно

Чтобы изучить рабочий диапазон четвертьволновых пластин и производительность при длине волны связи около 1550 нм, мы разделим сравнения на четыре части (показаны в таблице 1):круговая поляризуемость на 1550 нм, эффективность передачи на 1550 нм, толщина и может быть достигнута полоса пропускания от круговой поляризации к линейной поляризации.

Первый столбец Таблицы 1 представляет собой вид сверху (двухмерный) конструкций, который представляет собой только схематическую диаграмму и не показывает конкретные размеры и пропорции. Материалы просто показаны на рисунках. Второй столбец представляет собой полосу пропускания структуры в виде четвертьволновых пластинок, в которой круговая поляризация может быть преобразована в линейную поляризацию, а диапазон разности фаз составляет 90 ° ± 5 °. Третий столбец - это эллиптичность передачи поляризации LTC на длине волны 1550 нм, а эллиптичность | T _y | / | Т _x |, Четвертый столбец - это соответствующая длина волны, когда эллиптичность | T _y | / | Т _x | =1, и △ φ =φ _y -φ _x =(2 м + 1) × 90 ° одновременно, где м целое число. Пятая колонка - это толщина металлического слоя каждой четвертьволновой пластины, а единственным другим материалом является диоксид кремния. Результаты всех вышеперечисленных статей получены в результате моделирования с использованием FEM, FDTD и т. Д.

Производительность пяти структур, работающих с пропускной способностью связи, в Таблице 1a, d, e, f и g представлена ​​в виде гистограмм. Они представляют собой наностержни, L-образные, ломаные прямоугольные массивы кольцевых колец, однослойные массивы золотых наностержней и структуры серебряной пленки с прямоугольными отверстиями два на два, соответственно. Круговая поляризуемость и эффективность передачи различных четвертьволновых пластин на длине волны 1550 нм показаны на рис. 4a, а соответствующая им толщина металлического слоя и рабочая ширина полосы показаны на рис. 4b. Для удобства мы нормализуем толщину и полосу пропускания на основе толщины металла (27 нм) и рабочей полосы пропускания (525 нм), предложенных в этой работе.

Сравнение характеристик структур, указанных в Таблице 1a, d, e, f и g. а Эллиптичность поляризации LTC и полное пропускание на длине волны 1550 нм. б Нормализованная толщина металла и нормализованная ширина полосы поляризации CTL на основе предложенной структуры g

Сравнивая пять упомянутых выше структур, мы обнаруживаем, что, хотя структура a имеет наивысшую эффективность передачи и широкую полосу, полностью невозможно достичь круговой поляризации на длине волны 1550 нм, и она имеет очень большую толщину. Структура d имеет наивысшую круговую поляризуемость, высокую эффективность передачи и занимает второе место из пяти по толщине, но ширина полосы очень узкая. Эта конструкция может обеспечить хорошую поляризацию CTL и LTC на длине волны 1550 нм, но она не подходит для четвертьволновой пластины с большой полосой пропускания. Ультратонкие волновые пластины e и f имеют одинаковую толщину 10 нм и одинаковую наименьшую эффективность передачи. Однако при сравнении круговой поляризуемости e лучше, чем производительность f, а ширина полосы f намного лучше, чем e. Хотя структура f имеет самую широкую полосу, остальные три индикатора все худшие, и невозможно достичь круговой поляризации на 1550 нм. Структура g не только эффективно и идеально реализует преобразования LTC / CTL, но также имеет характеристики небольшой толщины и широкой рабочей полосы. Это результат взвешивания необходимых характеристик четвертьволновой пластины. Объединив существующую технологию нанопроцессинга с опубликованной литературой, мы обнаружили, что нашу четвертьволновую пластину можно подготовить экспериментальным путем. Вообще говоря, мы можем выполнить эксперимент в три этапа:во-первых, на слое резиста ZEP520 с помощью электронно-лучевой литографии (EBL) на кремнеземной подложке задаются прямоугольные узоры; во-вторых, матрица дополнительных структур четвертьволновой пластины сверхъячейки получается экспонированием электронным пучком; в-третьих, посредством электронно-лучевого напыления наносится тонкий слой серебра; На последнем этапе удалите ненужные материалы с помощью процесса снятия или протравливания. В [25] использовалась та же процедура для изготовления четвертьволновой пластинки из золотых наностержней. Толщина серебряных наностержней составляет 60 нм, а самая узкая ширина - 20 нм. Отношение глубины к ширине равно 3, что означает, что его относительно сложно производить. В [16] была изготовлена ​​четвертьволновая пластинка с использованием тех же методов. Толщина золотой пленки составляет 35 нм, а самый узкий металлический зазор составляет всего 10 нм. Хотя некоторая неизбежная неоднородность толщины и потери материала уменьшают резонансную прочность на более коротких длинах волн, измерения хорошо согласуются с моделированием. В данной работе толщина серебряного слоя волновой пластины составляет 27 нм, а самая узкая часть - 50 нм, отношение глубины к ширине составляет около 0,5. Более того, как показано на маленьком изображении фиг. 2c, когда ширина апертур W _x увеличивается с 80 до 100 нм, рабочая длина волны сдвигается с 1545 (коэффициент пропускания около 0,432) до 1550 нм (коэффициент пропускания около 0,44). Это означает, что структура статьи имеет хорошую надежность и не будет сильно зависеть от экспериментальных ошибок.

Таким образом, структура с несколькими отверстиями позволяет избежать идеи введения анизотропной разности фаз за счет тонкой конструкции (которую сложно построить) и обеспечивает новое направление в конструкции четвертьволновой пластины.

Выводы

Мы численно рассмотрели реализуемую широкополосную пропускающую четвертьволновую пластину на длине волны связи, которая имеет периодический массив субволновых отверстий на серебряной пленке толщиной 27 нм. Регулируя плазмонные резонансы, электрические дипольные резонансы и аномалии Вуда, можно достичь широкой полосы от круговой до линейной поляризации (525 нм) и высокой эффективности передачи 0,44, что близко к теоретическому максимальному значению 0,5, рассчитанному по формуле теория поверхностной проводимости. В частности, на длине волны 1550 нм эллиптичность равна 1, что идеально подходит для преобразования линейной поляризации в круговую. Проведя анализ, мы полагаем, что эта конструкция может хорошо работать в качестве четвертьволновой пластины из-за ее хорошей надежности. Ожидается, что это будет использоваться в миниатюрных оптических компонентах, таких как управление поляризацией, оптическое зондирование и функции связи.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, созданные во время и / или проанализированные в ходе текущего исследования, доступны у соответствующих авторов по разумному запросу.

Сокращения

CTL:

От кругового к линейному

LTC:

Линейно-круговое

FDTD:

Конечная разность во временной области

θ _я :

Угол падающей волны

x-pol. :

x-поляризация

y-pol. :

y-поляризация

SiO ₂ :

Кремнезем

Ag:

Серебро

Au:

Золото