Высокоэффективная вседиэлектрическая фазово-градиентная метаповерхность для аномальной передачи в ближнем ИК

Аннотация

Мы представляем фазово-градиентную метаповерхность, состоящую из дисконтинуальных регулярных гексагональных кремниевых нанокатушков на субстрате из кремнезема, которая обеспечивает исключительную аномальную передачу в ближнем инфракрасном диапазоне (1400–1600 нм). Численные FDTD симуляции показывают общую передачу 96,5% и желаемую аномальную передачу 96,2% при 1529 нм с углом преломления 30,64°. Настройкой периода и количества элементов за период структура достигает 69,6% аномальной передачи при угле преломления 68,58° — рекорд для диэлектрических метаповерхностей. Эта высокая производительность проложит путь к компактным высокоэффективным устройствам управления волновым фронтом.

Введение

Фазово-градиентные метаповерхности произвели революцию в инженерии волнового фронта, предлагая гибкий контроль над амплитудой, фазой и поляризацией света без громоздких оптических элементов. В отличие от традиционных дифракционных элементов, эти двухмерные метаматериалы могут быть интегрированы в фотонные чипы, позволяя приложения от управления пучком до голографии. Однако большинство металлических дизайнов страдают от внутренних омических потерь, ограничивающих эффективность. Вседиэлектрические метаповерхности — использующие низкопотерь кремний или другие высокопреломляющие диэлектрики — стали перспективной альтернативой, однако достижение одновременно высокой эффективности аномальной передачи и больших углов преломления остается сложной задачей. Недавние исследования сообщали об эффективности до 83% с углами преломления около 30°, но большие углы обычно сопровождаются снижением передачи. В этой работе мы преодолеваем эти ограничения, проектируя массив регулярных гексагональных кремниевых нанокатушков, который обеспечивает как >96% передачу, так и углы преломления до 69° в ближнем ИК диапазоне.

Проектирование и методы

Метаповерхность состоит из 2-мкм длинных гексагональных кремниевых нанокатушков (высота H1, длина стороны w) на 7050 нм субстрате из кремнезема (H2). Мы используем 2-мерные периодические граничные условия вдоль x и y, и идеально согласованные слои вдоль z, для моделирования нормально падающей поперечно-электрической (TE) волны в диапазоне 1400–1600 нм. Преломляющие индексы кремния и кремнезема взяты из базы данных Палика. Фабрикация включала бы LPCVD осаждения 1200 нм кремниевой пленки, электронно-лучевую литографию гексагонального узора и PEC-корректированную дозу для избежания округления, вызванного эффектом близости.

Сначала мы анализируем фазовый отклик одной элементарной ячейки. Варируя H1 (800–1200 нм) и w (100–220 нм), мы получаем полный 2π фазовый сдвиг при 1529 нм, сохраняя передачу >90% для H1 = 1200 нм. Фабри-Перо-тип резонанса нанокатушка доминирует в фазовом сдвиге, как подтверждается анализом собственных мод и мультиполным разложением. Фазовый градиент метаповерхности дискретизируется в пять фазовых шагов (0, 2π/5, 4π/5, 6π/5, 8π/5) с использованием шести различных размеров нанокатушков, образуя полный период Px = 3000 нм (Ny = 500 нм). Обобщенный закон Снелля предсказывает аномальный угол преломления θr = λ0/Px; уменьшая Px или увеличивая количество элементов за период, мы можем настраивать θr от 19,35° до 68,58°.

Результаты и обсуждение

Симулированная фазовая карта (рис. 4a) подтверждает плавный 2π охват по всему диапазону. Общая передача превышает 60% по 1400–1600 нм, достигая пика 96,5% (λ = 1529 нм). Отражение ниже 3% на расчетной длине волны, и поглощение остается <0,1% из-за низкого мнимого индекса кремния в этом диапазоне.

Рассчитанная эффективность аномальной передачи (рис. 5a) превышает 80% между 1527–1545 нм и 1591–1600 нм. При 1529 нм эффективность достигает 96,2%, а дальнее поле концентрируется при θr = 30,64°, как предсказано уравнением (3). Увеличив количество элементов за период (с девяти до трех), мы можем достичь аномальных углов преломления до 68,58°, сохраняя >70% эффективность при 1536 нм (рис. 7f, 8f). Метаповерхность допускает отклонения ±10 нм в w с падением эффективности всего на 2%, демонстрируя надежные перспективы фабрикации.

Заключение

Мы спроектировали вседиэлектрическую фазово-градиентную метаповерхность, которая обеспечивает >96% эффективность аномальной передачи при 1529 нм и углы преломления до 68,58°. Варируя период и количество элементов, устройство поддерживает широкий диапазон углов (19,35°–68,58°), сохраняя высокую эффективность (>80% для углов <46,68°). Эти метрики производительности превосходят большинство сообщенных диэлектрических метаповерхностей и позиционируют дизайн как сильного кандидата для компактных компонентов управления волновым фронтом в интегрированной фотонике.

Доступность данных и материалов

Наборы данных, поддерживающие это исследование, доступны у соответствующего автора по разумному запросу.

Аббревиатуры

FDTD

Метод конечных разностей во временной области

TE

Поперечно-электрический

LPCVD

Низкодавленное химическое осаждение из паровой фазы

EBL

Электронно-лучевая литография

PEC

Коррекция эффекта близости

EME

Электромагнитное мультиполное разложение

SCSs

Эффективные сечения рассеяния

ED

Электрический диполь

MD

Магнитный диполь

EQ

Электрический квадруполь

MQ

Магнитный квадруполь