Высокоэффективный видимый поляризационный лучоразделитель на полностью диэлектрических метаповерхностях

Аннотация

Мы представляем полностью диэлектрическую градиентную метаповерхность, состоящую из периодического массива крестообразных кремниевых наноблоков на подложке из стерженного кварца, которая функционирует как поляризационный лучоразделитель в видимом спектре. Инженеря два противоположных градиента передаточной фази по x-направлению для линейно x- и y-поляризованного света, метаповерхность направляет две ортогональные поляризации к симметричным углам по обе стороны от падающего луча в x-z плоскости. Для 45° падающей поляризации переданные x- и y-поляризованные компоненты демонстрируют почти равную интенсивность в диапазоне 579–584 нм. Устройство предлагает компактное, ультратонкое решение для свободно-пространственных оптических систем, требующих высокоэффективное поляризационное разделение.

Введение

Метаповерхности — двухмерные массивы субволновых наноантенн — стали мощными платформами для манипулирования фазой, амплитудой и поляризацией света с ультратонкими профилями. По сравнению с объемной оптикой, метаповерхности позволяют компактные, низкопотерьные устройства, которые легче фабриковать. Они уже позволили поляризационные конвертеры, голографию, плоские линзы и спектральные разделители.

Металлические метаповерхности изначально достигали отклонения луча через два π-фазовых резонанса или геометрическую фазу, но их внутреннее поглощение ограничивает пропускную эффективность. Полностью диэлектрические метаповерхности, преимущественно на основе кремния, обходят эти потери и предлагают несколько путей к полному 2π фазовому контролю: геометрическая фаза, перекрывающиеся Мие-резонансы (Хюйгенсовы метаповерхности) и Фабри-Перо резонансы в высоко-аспектных антеннах. В этой работе мы используем последний подход, рассматривая каждый кремниевый блок как усеченный волновод, чей эффективный индекс управляет передаточной фазой.

Поляризационные лучоразделители (PBS) жизненно важны во многих оптических архитектурах. Существующие дизайны PBS используют субволновые решетки, гибридные плазмонные сопрягатели или мультимодные интерференционные структуры. Здесь мы предлагаем простой, большой-угловой PBS, построенный из крестообразного кремниевого массива, который достигает равномощностного разделения для 45° падающей поляризации, эффективно работая на видимых длинах волн.

Методы

Рис. 1 иллюстрирует компоновку метаповерхности: квадратная решетка крестообразных кремниевых блоков (высота 260 нм) покоится на 1,45-индексной кварцевой подложке. Решеточные константы P_x = P_y = 200 нм. Трехмерные FDTD симуляции (периодические границы по x и y, идеально согласованные слои по z) моделируют нормально падающие плоские волны снизу.

Каждый крестообразный блок эквивалентен двум ортогональным кремниевым стержням: один с фиксированной шириной w (70 нм) и переменной длиной вдоль оси падающей поляризации. Для y-поляризованного падения длины L_y (60–200 нм) настраивают передаточную фазу при постоянном w. Аналогично, для x-поляризованного падения варируются длины L_x. Четыре дискретные элементарные ячейки (см. рис. 2) охватывают 0–2π фазовый диапазон с фазовым шагом ±π/2 между соседними ячейками, создавая противоположные фазовые градиенты для двух поляризаций.

Используя обобщенный закон Снеллиуса:

\[\frac{n_{t}\sin\theta_{t}-n_{i}\sin\theta_{i}}{\lambda_{0}}=\frac{1}{2\pi}\frac{d\Phi}{dx}\]

аномальный угол преломления определяется фазовым градиентом dΦ/dx. Для y-поляризованного света dΦ = –π/2; для x-поляризованного света dΦ = +π/2. Это дает 46,8° отклонение при 583 нм.

Результаты и обсуждение

Симуляции подтверждают предсказанное 46,78° отклонение для обеих поляризаций. Рис. 3a показывает электрическое поле в x-z плоскости для x-поляризованного падения, соответствующее теоретическому углу. Дальнее поле интенсивности (рис. 3b) дает общее пропускание 69,7 % и эффективность отклонения 63,7 % — ограниченные главным образом 12,5 % интерфейсной рефлексией, 17,8 % кремниевым поглощением и 6 % нежелательными дифракционными порядками.

Для y-поляризованного падения угол отклонения –46,78°, с эффективностью отклонения 66,4 % и общим пропусканием 75,2 %. Пренебрегая кремниевым поглощением, эффективности могли бы приблизиться к 90 % — на уровне предыдущих кремниевых метаповерхностных PBS дизайнов.

Когда линейно поляризованная плоская волна под 45° к x-оси освещает метаповерхность, устройство одновременно возбуждает две ортогональные резонансы, генерируя равной-интенсивности x- и y-поляризованные выходы. Рис. 4c показывает извлеченные электрические поля; рис. 4b показывает дальние поля интенсивностей, каждое 0,336 от падающей мощности. Таким образом, 46,3 % общей переданной энергии направляется в +1 и –1 дифракционные порядки для двух поляризаций, в то время как 0-й порядок составляет всего 7,4 %. В диапазоне 579–584 нм разница интенсивностей между двумя выходами остается ниже 2 %, подтверждая широкополосное равномощностное разделение.

Эффекты периодичности изучались вариацией решеточной константы в ортогональном направлении (190–210 нм). Изменения фазы и пропускания были незначительными (<0,05π), подтверждая независимость дизайна от перекрестного связывания и упрощающая фабрикацию.

Заключение

Мы спроектировали полностью диэлектрическую крестообразную кремниевую метаповерхность, функционирующую как высокоэффективный поляризационный лучоразделитель в видимом диапазоне. Устройство разделяет 45°-поляризованный свет на равномощные x- и y-компоненты при 583 нм с углом отклонения 46,8° и эффективностью отклонения 63–66 %. Ее компактный, ультратонкий профиль и широкополосная равномощностная производительность делают ее привлекательной для интеграции в фотонные цепи нового поколения.