Placa de cuarto de onda de transmisión ultrafina de banda ancha con matriz de orificios rectangulares basada en resonancias plasmónicas

Resultados y discusiones

Cambios de fase simulados φ _x , φ _y y sus diferencias se muestran en la Fig. 2a. El △ φ cae bruscamente a 1200 nm y finalmente se estabiliza alrededor de △ φ =90 °. Las curvas de transmitancia y la diferencia de fase cerca de 1550 nm se muestran en la Fig. 2b. Generalmente, se puede considerar que una placa de cuarto de onda con una diferencia de fase de 90 ° ± 5 ° funciona normalmente. Para 1328 nm, el △ φ =95 °, y para 1853 nm, △ φ =85 °, eso significa que dentro del ancho de banda del infrarrojo cercano de 525 nm, nuestro diseño puede realizar la conversión de polarización circular a polarización lineal. Esto es excelente en el ancho de banda publicado actualmente de la placa de cuarto de onda del infrarrojo cercano.

Resultados de la simulación de la estructura propuesta. un La fase de T _x , T _y y hay diferencia cuando W _x =100 nm. b Transmitancia T , T _x y T _y y la diferencia de fase de las dos luces de transmisión. c T _x y T _y curvas cuando W _x cambios. La imagen pequeña es el diagrama detallado cerca de 1550 nm. Muestra las tendencias de variación de T _x , T _y , transmitancia total T y diferencia de fase en la longitud de onda de comunicación

El tamaño cambiado W _x del agujero tiene diferentes efectos en x- y y- polarización. La Figura 2c muestra la transmitancia cuando W _x cambios. El pico de T _y y el pico muy agudo de T _x a 1200 nm están relacionados con la P _x =1200 nm. La condición para que ocurran las anomalías de Wood es λ =p ( pecado θ _i + 1) [31, 32] y θ _i es 0 para onda incidente normalmente; por lo tanto, el pico ocurre cuando λ =P _x . Además, con la disminución de P _y , el valle de T _x cambia a la dirección de la longitud de onda corta, y T _y se mueve hacia la dirección de longitud de onda larga, lo que resulta en el cambio de longitud de onda y transmitancia correspondiente a la intersección de las dos curvas. Además, la pequeña imagen muestra las intersecciones de T _x y T _y cuando W _x cambia de 50 a 100 nm. Significa la elipticidad | T _y | / | T _x | =1, de modo que la estructura propuesta pueda realizar la conversión de un cuarto de placa de onda de la polarización LTC. La eficiencia es de aproximadamente 0,44, que se acerca a la transmitancia ideal de 0,5 demostrada por el método de admitancia superficial en la literatura anterior [28]. Además, cuando el ancho de apertura W _x aumenta de 50 a 100 nm, la longitud de onda operativa se cambia de 1518 (transmitancia de aproximadamente 0,43) a 1550 nm (transmitancia de aproximadamente 0,44). Esto significa que el trabajo propuesto tiene una buena solidez y es beneficioso para la preparación experimental.

Analizamos numéricamente las resonancias de dipolos eléctricos y magnéticos (ED y MD) bajo x-pol. y y-pol. en diferentes W _x . Puede verse en la Fig. 3a, b que apenas hay resonancia MD en dos direcciones de polarización y existe resonancia ED a 1550 nm para x- polarización y 1600 nm para y- polarización. La Figura 3c muestra la intensidad y la dirección del campo eléctrico bajo x-pol. incidencia (λ =1550 nm) y Fig. 3d para y-pol. (λ =1600 nm). Las resonancias de ED se pueden ver desde la dirección indicada por las flechas vectoriales. El cambio de W _x tiene poco efecto sobre la resonancia dipolo de x-pol. , pero y-pol. está relativamente afectado. Al cambiar el rango de la anomalía de Wood y la posición del dipolo eléctrico, la transmisión, la fase y la polarización de nuestro diseño pueden controlarse mejor. Esto nos permite obtener un mejor rendimiento de la placa de cuarto de onda en la banda del infrarrojo cercano. También proporciona una nueva idea para el diseño de placas de ondas de metasuperficie [33,34,35,36,37,38,39,40,41].

un La intensidad de las resonancias de la disfunción eréctil. b La intensidad de las resonancias MD. c, d La intensidad del campo eléctrico y los vectores de x-pol. y y-pol. incidencia, respectivamente

Para examinar la banda operativa de las placas de cuarto de onda y el rendimiento a la longitud de onda de comunicación alrededor de 1550 nm, dividimos las comparaciones en cuatro partes (que se muestran en la Tabla 1):polarizabilidad circular a 1550 nm, eficiencia de transmisión a 1550 nm, el espesor y se puede lograr el ancho de banda desde la polarización circular hasta la polarización lineal.

La primera columna de la Tabla 1 es la vista superior (bidimensional) de las estructuras, que es solo un diagrama esquemático y no muestra el tamaño y la proporción específicos. Los materiales se muestran simplemente en las figuras. La segunda columna es el ancho de banda de la estructura como placas de cuarto de onda, en la que la polarización circular se puede convertir en polarización lineal, y el rango de diferencia de fase es 90 ° ± 5 °. La tercera columna es la elipticidad de la transmisión de polarización LTC a 1550 nm y la elipicidad | T _y | / | T _x |. La cuarta columna es la longitud de onda correspondiente cuando la elipticidad | T _y | / | T _x | =1, y el △ φ =φ _y -φ _x =(2 m + 1) × 90 ° simultáneamente, donde m es un entero. La quinta columna es el grosor de la capa de metal de cada cuarto de placa de onda y la sílice es el único otro material. Los resultados de todos los artículos anteriores provienen de simulaciones, utilizando FEM, FDTD, etc.

El rendimiento de cinco estructuras que trabajan con ancho de banda de comunicación en la Tabla 1a, d, e, fyg se presenta como gráficos de barras. Representan las nanovarillas, las matrices de anillos rectangulares rotos en forma de L, la matriz de nanobarras de oro de una sola capa y las estructuras de película de plata con orificios rectangulares de dos por dos, respectivamente. La polarización circular y la eficiencia de transmisión de diferentes placas de cuarto de onda a 1550 nm se muestran en la Fig. 4a, y su respectivo espesor de capa metálica y ancho de banda de trabajo se muestran en la Fig. 4b. Por conveniencia, normalizamos el grosor y el ancho de banda, que se basa en el grosor del metal (27 nm) y el ancho de banda operativo (525 nm) propuesto en este trabajo.

La comparación de las características de las estructuras mencionadas en la Tabla 1a, d, e, f y g. un La elipticidad de la polarización LTC y la transmisión total a 1550 nm. b El espesor de metal normalizado y el ancho de banda normalizado de la polarización CTL, según la estructura propuesta g

Al comparar las cinco estructuras mencionadas anteriormente, encontramos que, aunque la estructura a tiene la mayor eficiencia de transmisión y una banda ancha, es completamente imposible lograr una polarización circular a 1550 nm y tiene un grosor muy grande. La estructura d tiene la polarización circular más alta, una alta eficiencia de transmisión y el grosor ocupa el segundo lugar en cinco, pero el ancho de banda es muy estrecho. Este diseño puede lograr una buena polarización CTL y LTC a 1550 nm, pero no es adecuado para una placa de cuarto de onda con gran ancho de banda. Las placas de onda ultradelgadas eyf tienen el mismo grosor de 10 nm y la misma eficiencia de transmisión más baja. Sin embargo, si se compara la polarización circular, e es mejor que el rendimiento f, y el ancho de banda, f es mucho más mejor que e. Aunque la estructura f tiene la banda más ancha, los otros tres indicadores son los peores y es imposible lograr una polarización circular a 1550 nm. La estructura g no solo realiza las transformaciones LTC / CTL de manera eficiente y perfecta, sino que también tiene las características de un espesor pequeño y una banda de trabajo ancha. Este es el resultado de sopesar el rendimiento necesario de un cuarto de placa de onda. Combinando la tecnología de nanoprocesamiento existente con la literatura publicada, descubrimos que nuestro cuarto de placa de onda se puede preparar experimentalmente. En términos generales, podemos realizar el experimento en tres pasos:primero, se definen patrones en forma de rectángulo en la capa de resistencia ZEP520 mediante litografía por haz de electrones (EBL) sobre sustrato de sílice; en segundo lugar, se obtiene una matriz de estructura complementaria de supercélula de placa de onda de un cuarto por exposición a un haz de electrones; tercero, se deposita una fina capa de plata por evaporación del haz de electrones; último paso, elimine los materiales no deseados mediante un proceso de despegue o grabado. La referencia [25] utilizó el mismo procedimiento para preparar un cuarto de onda de nanovarillas de oro. El grosor de las nanovarillas de plata es de 60 nm y el ancho más estrecho es de 20 nm. La profundidad a la anchura es 3, lo que significa que es relativamente difícil de fabricar. La referencia [16] hizo un cuarto de placa de onda utilizando los mismos procesos. El espesor de la película de oro es de 35 nm y el espacio metálico más estrecho es de solo 10 nm. Aunque una inevitable falta de homogeneidad de espesor y pérdidas de material reducen la fuerza de resonancia en longitudes de onda más cortas, las mediciones concuerdan bien con las simulaciones. En este trabajo, el grosor de la capa plateada de la placa de ondas es de 27 nm, y la parte más estrecha es de 50 nm, la profundidad a ancho es de aproximadamente 0,5. Además, como se muestra en la imagen pequeña de la Fig. 2c, cuando el ancho de las aberturas W _x aumenta de 80 a 100 nm, la longitud de onda operativa se cambia de 1545 (transmitancia de aproximadamente 0,432) a 1550 nm (transmitancia de aproximadamente 0,44). Significa que la estructura del artículo tiene una buena solidez y no se verá muy afectada por los errores experimentales.

Por lo tanto, la estructura de varias aberturas evita la idea de introducir una diferencia de fase anisotrópica por la estructura delgada (que es difícil de construir) y proporciona una nueva dirección para el diseño de la placa de cuarto de onda.