Ультратонкая широкополосная четвертьволновая пластинка на основе массивов отверстий в серебре и плазмонных резонансов

Аннотация

Управление поляризационными состояниями света играет ключевую роль в современных оптических системах. Однако традиционные поляризационные устройства часто обладают узкой полосой пропускания, а их крупные размеры затрудняют миниатюризацию и интеграцию оптических систем. В данной работе представлена ультратонкая четвертьволновая пластинка с периодической пленкой из серебра толщиной менее λ/50, содержащая прямоугольную решетку 2×2 отверстий. Численное моделирование показывает, что пластинка эффективно преобразует круговую поляризацию в линейную при длине волны 1550 нм с полосой пропускания 525 нм. Кроме того, она эффективно инвертирует линейную поляризацию в круговую при 1550 нм с эллиптичностью, близкой к единице. Благодаря массиву малых отверстий в металлической пленке, усиливающему прохождение, данная структура обеспечивает коэффициент передачи 0,44. Широкополосная четвертьволновая пластинка может применяться в системах связи и приборах ближнего инфракрасного диапазона, а также интегрироваться с другими оптическими наноустройствами для поляризационных операций, детектирования и сенсорики.

Введение

Растущий интерес к управлению поляризацией света во множестве оптических приложений — поляризаторах, волновых пластинках, линзах — обусловлен необходимостью компактных решений. Среди них волновые пластинки являются важными фотонными компонентами, вводящими определенную фазовую разницу (π/2 или π) для получения различных поляризованных излучений. Традиционные волновые пластинки используют двухлучепреломление кристаллов, однако этот эффект слаб в природных кристаллах, что приводит к толщине устройств в сотни микрометров. Объемные оптические компоненты затрудняют интеграцию и модуляцию фазы [1–4].

Появление нанофотоники открыло новое направление в изучении взаимодействия света с веществом. Нанофотонные устройства (толщиной десятки нанометров) преодолевают дифракционный предел без электромагнитных помех и обладают большим потенциалом замены крупномасштабных устройств. Особое внимание привлекают метаповерхности — планарные структуры, локально модифицирующие поляризацию, фазу и амплитуду света при отражении или прохождении. Их толщина меньше длины волны. Анизотропные метаповерхности создают разную фазу и амплитуду для TE- и TM-волн, обеспечивая гибкость проектирования линз, фазовых пластин, волновых пластин, поляризаторов, лучоразделителей и генераторов произвольных векторных пучков [5–17].

Четвертьволновые пластинки на метаповерхностях, основанные на плазмонных резонансах, являются горячей темой последних лет [18–24]. В 2011 г. Чжао и соавт. предложили массив перпендикулярных серебряных наностержней толщиной 60 нм как широкополосную четвертьволновую пластинку [25]. В 2013 г., вдохновленные принципом Бабине, та же группа создала пластинку из нанощелей для преобразования круговой в линейную поляризацию в видимом диапазоне при толщине металла 40 нм [26]. Оба дизайна имели широкую полосу, но трудно обеспечивали одинаковую амплитуду двух ортогональных компонент. В 2012 г. Робертс и соавт. предложили пластинку с перекрестными апертурами в серебряной пленке толщиной 140 нм, достигая линейного-в-круговое преобразование при дискретных длинах волн 710–760 нм [27]. В 2013 г. Ян и соавт. использовали массив симметричных L-образных плазмонных антенн, достигнув эллиптичности 0,994 при 1550 нм, но с полосой всего 80 нм [28]. В 2015 г. Ли и соавт. реализовали пластинку из 20-нм золотых наностержней для двустороннего преобразования при 1550 нм, но с низкой круговой поляризуемостью 0,67 [29]. В 2017 г. Чжу и соавт. предложили массив разорванных прямоугольных колец в 10-нм серебре с полосой 120 нм для CTL и эллиптичностью 0,97 для LTC при 1550 нм [30].

Анализ показывает, что идеальная миниатюрная проходная четвертьволновая пластинка для диапазона связи должна: (1) обеспечивать широкополосное CTL и LTC преобразование; (2) иметь круговую поляризуемость, близкую к единице при 1550 нм; (3) обладать максимальной пропускной способностью (теоретический предел 0,5 по теории поверхностной проводимости); (4) быть ультратонкой и технологичной. Большинство существующих решений остаются теоретическими из-за высокого соотношения высоты к ширине или высокой чувствительности к ошибкам fabricación.

Предлагаемая передаточная четвертьволновая пластинка для диапазона связи состоит из 27-нм серебряной пленки с отверстиями на кремнеземистом основании. Четырехотверстная конструкция избегает узкой полосы одиночного резонатора. Усиление локализованных поверхностных плазмонов увеличивает фазовую анизотропию, вводя резкие фазовые сдвиги, и существенно уменьшает толщину металла. Пластинка обеспечивает 90° фазовую разницу в полосе 525 нм. Особенно при 1550 нм эллиптичность близка к единице с коэффициентом передачи 0,44.

Методы

Рисунок 1 изображает элементарную ячейку предлагаемой плазмонной четвертьволновой пластинки — серебряную пленку с отверстиями на подложке из SiO₂. Четыре прямоугольные апертуры расположены в два ряда и два столбца. Пластинка погружена в воздух (n=1). Кремнеземисто считается недисперсионным (ε=1,47), диэлектрическая проницаемость серебра описывается моделью Друде [25]: ε_Ag = ε₀[ε_∞ - f_p²/(f(f - iγ))], где ε_∞=5, f_p=2,175 ПГц, γ=4,35 ТГц. Толщины подложки и серебряной пленки фиксированы: H₁=30 нм, H₂=27 нм. Периоды ячейки: P_x=1200 нм, P_y=500 нм. Размеры серебряной пленки: L_x=450 нм, L_y=480 нм. Внутренняя ширина апертур W_y=80 нм фиксирована, длина W_x переменна. Центры апертур: x=±75 нм, y=±110 нм.

Численное моделирование выполнено трехмерным методом FDTD с периодическими граничными условиями по x и y и идеально согласованными слоями по z. Плоские волны нормально падают с нижней стороны подложки в диапазоне 1000–2000 нм. T — нормированная суммарная пропускание, T_x и T_y — пропускания по x и y. Для ультратонкой метаповерхности (d ≪ λ₀) передача описывается матрицей Джонса. При нормальном падении линейно поляризованной волны под 45° к оси x фазовая разница Δφ = φ_y - φ_x между T_xx и T_yy должна составлять (2m+1)π/2 для четвертьволновой пластинки.

Результаты и обсуждение

На рис. 2а показаны фазовые сдвиги φ_x, φ_y и их разница. Δφ резко падает при 1200 нм и стабилизируется около 90°. На рис. 2б — кривые пропускания и фазовая разница около 1550 нм. Квартерволновая пластинка с Δφ = 90° ± 5° считается работоспособной. При 1328 нм Δφ = 95°, при 1853 нм Δφ = 85°, то есть в ближнем ИК диапазоне 525 нм реализуется CTL-преобразование — отличный результат среди опубликованных работ.

Изменение размера отверстия W_x по-разному влияет на x- и y-поляризацию. Рис. 2в показывает пропускание при варьировании W_x. Пики T_y и острый пик T_x при 1200 нм связаны с периодом P_x=1200 нм (аномалии Вуда: λ = P_x при нормальном падении). С уменьшением P_y впадина T_x сдвигается к коротким волнам, а T_y — к длинным, меняя длину волны и пропускание в точке пересечения кривых. Маленькое изображение демонстрирует пересечения T_x и T_y при W_x от 50 до 100 нм, где эллиптичность |T_y|/|T_x| = 1, обеспечивая LTC-преобразование. КПД ≈ 0,44, близко к идеальному 0,5 [28]. При увеличении W_x от 50 до 100 нм рабочая длина волны смещается с 1518 нм (T≈0,43) на 1550 нм (T≈0,44), что свидетельствует о хорошей устойчивости к технологическим погрешностям.

Численный анализ резонансов электрических и магнитных диполей (ED и MD) под x- и y-поляризацией при разных W_x (рис. 3) показывает отсутствие MD-резонансов и наличие ED-резонанса при 1550 нм для x-поляризации и 1600 нм для y-поляризации. Изменение W_x слабо влияет на дипольный резонанс x-поляризации, но заметно на y-поляризацию. Управление аномалией Вуда и положением электрического диполя позволяет лучше контролировать передачу, фазу и поляризацию, открывая новый подход к проектированию метаповерхностных волновых пластин [33–41].

Таблица 1 сравнивает пять структур, работающих в диапазоне связи: наностержни, L-образные, разорванные прямоугольные кольца, однослойные золотые наностержни и предлагаемая 2×2 прямоугольная сетка в серебре. На рис. 4а сравнены круговая поляризуемость и КПД при 1550 нм, на рис. 4б — нормированная толщина металла и полоса CTL (базируясь на 27 нм и 525 нм данной работы). Структура g (предлагаемая) не только эффективно реализует LTC/CTL преобразования, но и сочетает малую толщину и широкую рабочую полосу — результат баланса необходимых характеристик.

Анализ существующих нанотехнологий показывает, что пластинку можно изготовить экспериментально трехстадийным процессом: (1) электронно-лучевая литография прямоугольных структур на ZEP520 на SiO₂; (2) электронно-лучевое экспонирование для получения комплементарного массива; (3) электронно-лучевая депонентация тонкого слоя серебра и lift-off. В [25] аналогичным способом изготавливали золотые наностержни толщиной 60 нм с минимальной шириной 20 нм (соотношение глубины к ширине 3 — трудно). В [16] делали пластинку с золотой пленкой 35 нм и зазором 10 нм. В данной работе толщина серебра 27 нм, ужежайшая часть 50 нм, соотношение ~0,5. Кроме того, устойчивость подтверждается малым смещением длины волны при изменении W_x от 80 до 100 нм (с 1545 нм, T≈0,432 до 1550 нм, T≈0,44).

Многоотверстная структура избегает подхода с тонкими анизотропными элементами (сложными для изготовления) и задает новое направление проектирования четвертьволновых пластин.

Заключение

Численно исследована реализуемая широкополосная проходная четвертьволновая пластинка для длины волны связи с периодическим массивом субдлинноволновых отверстий в 27-нм серебряной пленке. За счет настройки плазмонных резонансов, резонансов электрических диполей и аномалий Вуда достигнута широкая полоса CTL-преобразования (525 нм) и высокий КПД 0,44, близкий к теоретическому максимуму 0,5. Особенно при 1550 нм эллиптичность равна 1, что идеально реализует LTC-преобразование. Структура обладает хорошей устойчивостью и может служить четвертьволновой пластинкой для миниатюрных оптических компонент: поляризационного управления, оптического сенсирования и коммуникаций.

Доступность данных и материалов

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

Аббревиатуры

CTL:

Circular-to-linear (круговая в линейную)

LTC:

Linear-to-circular (линейная в круговую)

FDTD:

Finite-difference time-domain (метод конечных разностей во временной области)

θ_i:

Угол падения волны

x-pol.:

x-поляризация

y-pol.:

y-поляризация

SiO₂:

Кремнеземисто

Ag:

Серебро

Au:

Золото