Гибридная силиций-графен метаповерхность: ультратонкий настраиваемый поляризационный преобразователь с КПД 96 %

Аннотация

Представлена численно оптимизированная четвертьволновая пластина, использующая гибридную силиций-графен метаповерхность для достижения линейно-циркулярной поляризационной конверсии с пиковой степенью 96 % в ближнем инфракрасном диапазоне. Вставка монослоя графена между кремниевым крестообразным антенным элементом и субстратом из силикатов позволяет спроектировать запертые магнитные моды резонанса с высокими Q-факторами и расширенным окном прохождения по сравнению с полностью диэлектрическими аналогами. Бирефрингенция настраивается как через геометрию кремния, так и через уровень Ферми графена, обеспечивая динамическое переключение вращения рассеянного света внешним затворным смещением. Структура ультратонка, без потерь и совместима с CMOS, что делает ее идеальной для интегрированных фотонных сенсоров.

Введение

Полностью диэлектрические метаповерхности стали предпочтительной платформой для низкопотерь высокоэффективного оптического управления, превосходя плазмонные аналоги, страдающие от радиационных и омических потерь [1, 2]. Кремний, диоксид титана и нитрид кремния поддерживают магнитные резонансы с минимальным поглощением, позволяя проектировать устройства, сочетающие высокие Q-факторы с широкополосной работой [7–9]. Недавние достижения в графеновых Фано-резонансах дополнительно снизили потери, используя настраиваемую проводимость и высокую подвижность носителей графена [10–20]. В то время как расщепленные кольцевые резонансы и другие субдлина волны элементы широко изучались в плазмонных метаповерхностях, они остаются ограниченными омическими потерями и низкой проницаемостью [24, 25]. Напротив, диэлектрические мета-устройства могут достигать эффективностей, близких к 99 %, и демонстрировать высокие коэффициенты бирефрингенции в ТГц и ближнем ИК диапазонах [26, 27], хотя механизмы настройки все еще редки. Наша работа вводит управляемую схему бирефрингенции, сочетающую затворную настройку графена с структурной геометрией для достижения динамического поляризационного управления. Интегрируя монослой графена под кремниевым крестообразным антенным элементом, мы создаем гибридную метаповерхность, использующую сильные локализованные электрические и магнитные Мие-тип резонансы, давая близкую к единице проницаемость при сохранении высоких Q-факторов [28–30]. Этот дизайн преодолевает несоответствие импеданса и обеспечивает точное управление фазой и поляризацией в компактном размере.

Методы

Элементарная ячейка состоит из кремниевого крестообразного антенного элемента (εr = 12,25) на монослое графена (моделируемом как 1 нм толщиной сетка) и субстрата из силикатов (εr = 2,25). Геометрические параметры: L1 = 450 нм, L2 = 370 нм, h = 110 нм, W = 60 нм, с периодичностями Px = 600 нм и Py = 560 нм (рис. 1a). Периодические граничные условия и идеально согласованный слой применяли для моделирования бесконечного массива под нормальным падением. Коэффициенты прохождения Txx и Tyy извлекали из рассеянных электрических полей, а разность фаз ΔΦ = Φxx – Φyy вычисляли на 1,2 мкм выше метаповерхности. Проводимость графена σ = σ_I + σ_D рассчитывали по случайно-фазовому приближению, с энергией Ферми E_F = ħν_F(πn_s)¹/² и скоростью рассеяния τ ≈ 0 (доминантные межзонные переходы в ближнем ИК). Подробные выражения для действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости ε'_g и ε''_g даны в уравнениях (2) и (3). Конечно-элементные симуляции выполняли в COMSOL Multiphysics для оценки оптического отклика в диапазоне энергий Ферми (0–0,8 эВ) и кремниевых размеров.

Результаты и обсуждение

Управление бирефрингенцией через энергию Ферми и структурные размеры

Симуляции полностью диэлектрической структуры без графена раскрывают резкий высоко-Q резонанс при λ = 1,49 мкм, обусловленный запертой магнитной модой (рис. 2a). Распределение поля показывает антипараллельные вплоскостные электрические поля, создающие деструктивную интерференцию между электрическими и магнитными диполями (рис. 2b,c). Введение графена между кремнием и силикатом ослабляет смещенный ток, снижает Q-фактор и смещает резонанс к λ = 1,50 мкм (рис. 3b). Варируя E_F, интенсивность резонанса настраивается: нелегированный графен (E_F = 0 эВ) демонстрирует самый сильный отклик, тогда как увеличенное легирование подавляет поглощение через Паули-блокировку, приводя к более индуктивному отклику графена (рис. 3c). Регулировка параметра асимметрии L2 модулирует связь между магнитными и электрическими модами. При L2 ≈ 410 нм симметрия нарушается, расщепляя моды и позволяя 90° разнице фаз между x- и y-поляризованными прошедшими полями (рис. 4a). Когда L2 установлен на 365 нм или 450 нм, полоса пропускания фазы остается в пределах ±10° для ПЦП и ЛЦП соответственно (рис. 4c). Кроме того, настройка E_F от 0 до 0,8 эВ контролирует полосу пропускания фазы, достигая ΔΦ ≈ 90° при λ = 1,49 мкм для E_F = 0,8 эВ (рис. 4d). Параметры Стокса подтверждают почти идеальную круговую поляризацию при λ = 1,5 мкм (|S3|/S0 ≈ 1). Коэффициент поляризационной конверсии (PCR) достигает пика 96 % для ПЦП и 90 % для ЛЦП в диапазоне 1,48–1,51 мкм, падая до 80 % при 1,52 мкм (рис. 5c). Устройство мало чувствительно к углу падения поляризации, поддерживая амплитудное отношение близкое к единице и 90° сдвиг фазы в широком угловом диапазоне (рис. 5d). Карты задержки фазы по периодичностям Px и Py показывают, что условие четвертьволновой пластины выполняется вдоль диагональной линии, где Px и Py обратно связаны, сохраняя проницаемость выше 80 % (рис. 6a,b). Эта настраиваемость предлагает прямой путь к кастомизации метаповерхности для конкретных волновых окон.

Переключение бирефрингенции через затворное смещение

Встраивая затворный электрод через y-направление силиций/графен стека (рис. 7a), уровень Ферми можно модулировать затворным напряжением V_g. Емкость на единицу площади C = ε_si ε_0 / P_x связывает V_g с плотностью носителей n_s = C V_g / e, что в свою очередь регулирует E_F. Результаты симуляции показывают, что при λ = 1,5 мкм прямое смещение +47,5 В переключает рассеянный свет из ПЦП в ЛЦП, тогда как обратное смещение –47,5 В дает противоположную вращательность (рис. 7b-c). Фазовая задержка изменяется нелинейно с V_g, отражая изменения проводимости графена. Спектры параметров Стокса подтверждают, что |S3| приближается к единице (>90 %) для обоих логических состояний в диапазоне 1,49–1,52 мкм (рис. 7d). Фазовые карты E_z при λ = 1,5 мкм иллюстрируют вращение запертой магнитной моды при инверсии V_g, давая наглядное представление механизма переключения (рис. 8a-b).

Заключение

Мы спроектировали гибридную силиций-графен метаповерхность, служащую компактной высокоэффективной четвертьволновой пластиной с настраиваемой бирефрингенцией. Регулируя геометрию кремния или применяя затворное смещение, устройство может динамически конвертировать впадающую линейную поляризацию в правую или левую круговую с эффективностью >96 % в диапазоне 1,45–1,54 мкм. Ультратонкий профиль, отсутствие плазмонных потерь и совместимость со стандартным CMOS производством делают эту структуру перспективным кандидатом для начиповых фотонных сенсоров и оптических коммуникационных приложений.