Ультраэффективные кремниевые метаповерхности для разделения поляризации и генерации вихревых лучей в телекоммуникационном диапазоне

Аннотация

В работе представлена высокого порядка диэлектрическая метаповерхность из массива кремниевых нанокирпичей. Точной настройкой длины и ширины кирпичей устройство обеспечивает два различных инкрементных передаточных фаз для X-линейно поляризованного (XLP) и Y-линейно поляризованного (YLP) света, достигая передаточной эффективности стабильно выше 88 %. Используя эту способность, спроектированы два поляризационных разделителя лучей, работающих в высоких порядках дифракции, каждый с высокой передаточной эффективностью. Также изготовлены два генератора вихревых лучей в высоких порядках дифракции, создающие вихревые лучи с топологическими зарядами 2 и 3. Применение диэлектрических метаповерхностей в высоких порядках дифракции открывает путь к широкому спектру ультраэффективных оптических устройств.

Введение

Недавние достижения в электродинамике фокусируются на полном контроле световых волн, где метаматериалы становятся ключевой областью благодаря их инженирируемым оптическим откликам. Эти искусственные структуры позволили такие явления, как отрицательная рефракция, нулевая рефракция и замедленный свет. Однако традиционные трехмерные метаматериалы страдают от внутренних потерь и сложной фабрикации, ограничивая практическое применение. Двумерные метаматериалы — метаповерхности — устраняют эти недостатки, предлагая ультратонкие субволновые структуры, более легкие для fabricación и интеграции. Метаповерхности манипулируют амплитудой или фазой падающего света через субволновые резонаторы, обеспечивая функции: настраиваемые волноводы, волновые пластины, линзы, аномальная рефракция, генераторы вихрей, голограммы. Хотя метаповерхности превосходят 3D-аналоги по эффективности, потери остаются проблемой, особенно с металлическими компонентами. Для преодоления предложены метаповерхности Хойгенса и полностью диэлектрические метаповерхности. Дизайны Хойгенса снижают потери, но сохраняют сложность 3D-фабрикации. Полностью диэлектрические метаповерхности, перекрывая электрические и магнитные резонансы на одной частоте, достигают полного 2π фазового контроля с высокой передаточной эффективностью. Однако большинство демонстрированных устройств работают в первом или втором порядках дифракции; высокие порядки остаются недостаточно изученными, בעיקר из-за низких эффективностей, вызванных металлическими потерями. В этой работе представлена полностью диэлектрическая метаповерхность, способная манипулировать волновым фронтом в высоких порядках дифракции при сохранении передаточной эффективности выше 88 %. На этой платформе спроектированы два поляризационных разделителя, разделяющие ортогональные поляризации в разные направления с высокой эффективностью, и два генератора вихревых лучей с топологическими зарядами 2 и 3, демонстрируя универсальность контроля высокого порядка дифракции.

Методы

Дизайн метаповерхности показан на рис. 1а. Состоит из 900-нм кристаллических кремниевых нанокирпичей на 200-нм подложке SiO₂ (показатели преломления 3,48 и 1,48). Высокий показатель преломления Si дает сильные резонансы с минимальными омическими потерями, фабрикация реализуется зрелыми полупроводниковыми техниками: электронно-лучевая литография (EBL) и ионно-лучевая фрезеровка (FIB). Подложка SiO₂ выбрана для подавления отражения и поглощения на целевой телекоммуникационной длине волны 1500 нм. Константа решетки S = 650 нм. Управление передаточной фазой осуществляется размерами нанокирпича по осям X и Y. Численное моделирование методом FDTD с идеально согласованными слоями (PML) сверху/снизу и периодическими граничными условиями (PBC) по бокам. Рабочая длина волны 1500 нм. Рис. 1a–d показывают ко-поляризованную передаточную эффективность и фазу для XLP и YLP в зависимости от размеров нанокирпича (a — ширина, b — длина). Симуляции показывают: для абсолютного большинства геометрий ко-поляризованная передача >88 %, фаза настраивается по полному диапазону 0–2π. Симметрия структуры обеспечивает аналогичную производительность для обеих поляризаций, позволяя независимый фазовый контроль для XLP и YLP через изменение a и b соответственно.

Рис. 1. (a) Передаточная эффективность и (b) соответствующая фаза XLP vs a,b. (c) Ко-поляризованная эффективность и (d) фаза YLP vs a,b. Вставка: схема элементарной ячейки (кремниевые нанокирпичи на SiO₂). Толщины: 900 нм (Si) и 200 нм (SiO₂).

Результаты и обсуждение

Проектирование поляризационных разделителей лучей

Начиповое управление поляризацией критично для интегрированной фотоники. Предлагаемый поляризационный разделитель (PBS) использует разные фазовые отклики для XLP и YLP, обеспечивая разделение в два пространственно различных луча с высокой эффективностью.

Каждый PBS состоит из 13 нанокирпичей, объединенных в суперячейку. Дискретизируя фазу 0–2π для XLP и 2π–0 для YLP с шагом ±2π/13, достигают высокого порядка фазового градиента. Боковые размеры 13 кирпичей приведены на рис. 2a. Переупорядочивание кирпичей дает высокие порядки дифракции: третий порядок (M₃) охватывает 0–3×2π, пятый (M₅) — 0–5×2π. Эта простая перестановка пропорционально расширяет фазовое покрытие.

Рис. 2. Дизайн диэлектрических метаповерхностей с тремя порядками дифракции. (a) Боковые размеры 13 нанокирпичей для M₁ (0–2π), M₃ (0–3×2π), M₅ (0–5×2π). (b) Симулированные передаточные фазы XLP (черный) и YLP (синий). (c) Размеры кирпичей и передаточные эффективности для M₁: ко-поляризованные эффективности >88 %, кроме двух кирпичей ~80 %.

Симуляции PBS под 45° линейно поляризованным излучением подтверждают дизайн. Извлеченные поля XLP и YLP (рис. 3a) показывают отдельные волновые фронты с пиковыми углами дифракции –10,2° (XLP) и +10,2° (YLP). Соответствующие ко-поляризованные эффективности 85,9 % (XLP) и 88,4 % (YLP). Углы дифракции совпадают с предсказанием обобщенного закона Снеллиуса (±10,22°), подтверждая возможность высокого порядка управления лучем и то, что почти весь падающий свет передается с минимальным отражением.

Рис. 3. (a) Распределения электрического поля извлеченных XLP (лево) и YLP (право) под 45° освещением. (b) Ко-поляризованные эффективности vs угол дифракции для XLP и YLP.

Для высокого порядка PBS теоретические углы дифракции M₃ и M₅ — ±32,18° и ±62,56°. Рис. 4a–d иллюстрируют четкие фазовые фронты и подтверждают эти углы. Ко-поляризованные эффективности незначительно падают до 82–84 % (третий порядок) и 73,5–78,4 % (пятый порядок), в основном из-за связности кирпичей разной геометрии. Тем не менее, метаповерхности сохраняют высокую передачу во всех высоких порядках.

Рис. 4. Распределения электрического поля для M₃ (a,b) и M₅ (c,d) под 45° освещением.

Рис. 5. Ко-поляризованные эффективности vs угол дифракции для M₃ (a) и M₅ (b) под XLP и YLP.

Проектирование генераторов оптических вихрей

Оптические вихревые лучи, характеризующиеся спиралевидным фазовым фронтом и орбитальным угловым моментом lℏ, применяются в литографии, ловушках, коммуникациях. Для генерации вихрей 13 кирпичей M₁ располагают в 13 азимутальных секторах, создавая непрерывный фазовый рамп 2π/13 по окружности. Рис. 6a показывает интенсивность сгенерированного l=1 вихря: центральная нуль и 2π фазовый скачок от –π до π.

Рис. 6. (a–c) Передаточные интенсивности; (d–f) фазовые фронты для l=1,2,3 используя M₁, M₂, M₃ под X-поляризацией.

Для более высоких топологических зарядов меняют фазовый шаг между соседними кирпичами на 4π/13 (l=2) и 6π/13 (l=3), получая M₂ и M₃. Полученные профили интенсивности (рис. 6b,c) и фазовые карты (рис. 6e,f) демонстрируют два и три четких 2π фазовых скачка соответственно. Смена падающей поляризации с XLP на YLP инвертирует спиральный смысл, сохраняя интенсивность, благодаря симметричному фазовому отклику. Это демонстрирует, что наши метаповерхности могут генерировать произвольные порядки вихрей простой переконфигурацией кирпичей.

Заключение

Мы спроектировали диэлектрические метаповерхности из периодических кремниевых нанокирпичей, обеспечивающие полное 0–2π фазовое покрытие с передаточной эффективностью >88 % на телекоммуникационной длине волны 1500 нм. Используя эти свойства, реализованы высокого порядка поляризационные разделители, разделяющие ортогональные поляризации в различные направления с высокой эффективностью, и генераторы оптических вихрей, создающие топологические заряды до 3 в высоких порядках дифракции. Простота дизайна — изменение размеров и расположения кирпичей — облегчает быструю фабрикацию и проложивает путь к новому классу ультраэффективных фотонных устройств.