Metasuperficies dieléctricas de alto orden para divisores de haz de polarización de alta eficiencia y generadores de vórtices ópticos
Resumen
En este artículo, se propone e investiga una metasuperficie dieléctrica de alto orden basada en una matriz de nanoladrillos de silicio. Al controlar la longitud y el ancho de los nanoladrillos, las metasuperficies podrían suministrar dos fases de transmisión incrementales diferentes para la luz polarizada lineal X (XLP) y polarizada lineal Y (YLP) con una eficiencia extremadamente alta superior al 88%. Sobre la base de la metasuperficie diseñada, se han diseñado con éxito dos divisores de haz de polarización que funcionan en modos de difracción de alto orden, lo que demuestra una alta eficiencia de transmisión. Además, también hemos diseñado dos generadores de haz de vórtice que funcionan en modos de difracción de alto orden para crear haces de vórtice con las cargas topológicas de 2 y 3. El empleo de metasuperficies dieléctricas que operan en modos de difracción de alto orden podría allanar el camino para una variedad de nuevos dispositivos ópticos ultraeficientes.
Antecedentes
En los últimos años, el control total de las ondas electromagnéticas ha sido un área de investigación emergente. Para la búsqueda de realizar tal control, los metamateriales han atraído una atención significativa por sus nuevas propiedades físicas, que podrían ser diseñadas artificialmente como deseos al estructurar sus constituyentes [1]. Hasta ahora, se han utilizado metamateriales para lograr muchas propiedades ópticas excelentes, como refracción negativa, refracción cero y luz lenta. Sin embargo, el metamaterial tridimensional tiene muchos inconvenientes, como altas pérdidas intrínsecas y dificultad de fabricación, que restringen sus aplicaciones reales. Con los desarrollos de la nanotecnología, se han propuesto metamateriales bidimensionales, o las llamadas metasuperficies, para evitar estos inconvenientes debido a sus estructuras ultradelgadas de sublongitud de onda, fabricación relativamente fácil e integraciones conformadas con sistemas [2, 3]. Las metauperficies consisten típicamente en una matriz de resonadores ópticos con un período de sublongitud de onda y funcionan como discontinuidades de interfaz. Podría introducir un cambio abrupto en la amplitud o fase del haz incidente al diseñar la geometría del resonador. Con base en este concepto, se han implementado varias metasuperficies con diferentes funciones, incluyendo guía de ondas sintonizable [4, 5], placas de ondas [6, 7], lentes [8,9,10,11], refracción anómala [12, 13] , generadores de vórtice compactos [14,15,16] y hologramas de alta resolución [17,18,19].
Aunque la metasuperficie exhibe una eficiencia mucho mejor en comparación con los metamateriales tridimensionales, la pérdida debe considerarse seriamente debido al uso común del metal. Por lo tanto, existen algunos métodos mejorados para aumentar la eficiencia de transmisión, incluidas las metasuperficies de Huygens y las metasuperficies totalmente dieléctricas. Las metasuperficies de Huygens podrían evitar la baja eficiencia; sin embargo, la fabricación de las estructuras tridimensionales todavía dificulta sus aplicaciones en la realidad [20]. Afortunadamente, las metasuperficies dieléctricas podrían optimizarse para poseer simultáneamente resonancias eléctricas y magnéticas superpuestas en las mismas frecuencias y así permitir 2 π completos control de fase con alta eficiencia de transmisión [21,22,23,24,25,26,27]. Sin embargo, la mayoría de los dispositivos ópticos demostrados en los trabajos anteriores utilizan ± 1 st ordenar los modos de difracción para manipular el frente de onda de la luz en lugar de los modos de orden superior [28,29,30]. Recientemente, se ha propuesto un enfoque novedoso para controlar el frente de onda incidente y funciona en modos de orden superior modulando la fase discreta; aun así, obtuvieron eficiencias de transmisión bastante bajas debido a la pérdida óhmica intrínseca del metal [31, 32].
En este trabajo, proponemos una metasuperficie dieléctrica para manipular el frente de onda que opera en modos de difracción de alto orden con una eficiencia de transmisión extremadamente alta. Sobre la base de la metasuperficie dieléctrica propuesta, se han diseñado dos divisores de haz polarizador con discontinuidades de fase abruptas en la banda de telecomunicaciones y que funcionan en modos de orden superior. Los divisores de haz polarizador son capaces de generar dos frentes de onda diferentes para dos polarizaciones de entrada ortogonales con una eficiencia extremadamente alta de hasta el 88%. Además, también hemos diseñado dos generadores de haz de vórtice con las cargas topológicas de 2 y 3 para demostrar aún más la capacidad de la metasuperficie diseñada para manipular la luz en modos de difracción de alto orden.
Métodos
El esquema de las metasuperficies dieléctricas diseñadas se muestra en el recuadro de la Fig. 1a. Está compuesto por nanoladrillos de silicio cristalino de 900 nm de espesor grabado sobre un sustrato de vidrio de 200 nm de espesor, cuyos índices de refracción son 3,48 y 1,48, respectivamente. Debido al alto índice de refracción, el silicio exhibe propiedades resonantes de alta calidad y bajas pérdidas óhmicas intrínsecas. Además, el silicio nanoestructurado se puede obtener fácilmente mediante tecnología madura de semiconductores con bajo costo de fabricación, como EBL y FIB. El SiO 2 Se utilizó sustrato debido a que la pérdida por reflexión y la pérdida por absorción pueden casi despreciarse en la longitud de onda de 1500 nm. La constante de celosía se elige como S =650 nm. Por tanto, la fase geométrica de la luz transmitida inducida por una nanovarilla de silicio depende de las dimensiones del nanoladrillo a lo largo de las direcciones X e Y. La simulación numérica se realiza mediante el método FDTD (dominio de tiempo finito-diferente). En las simulaciones, la capa perfectamente emparejada (PML) se agregó a la capa encima y debajo de una celda para que funcione como condiciones de contorno absorbentes. Además, las condiciones de contorno periódicas (PBC) también se han aplicado alrededor de una celda o una celda unitaria. La longitud de onda de operación se elige para que sea de 1500 nm para la longitud de onda de las comunicaciones ópticas.
un La eficiencia de transmisión y b las correspondientes variaciones de fase de la luz XLP en función de los parámetros a y b . c La eficiencia de transmisión copolarizada y d variaciones de fase correspondientes de la luz YLP en función de los parámetros a y b . El recuadro en a muestra esquemáticamente la celda unitaria de metasuperficie dieléctrica periódica que consta de una matriz de nanoladrillos de silicio sobre SiO 2 sustrato. El espesor de los nanoladrillos de silicio y SiO 2 el sustrato se establece en 900 nm y 200 nm, respectivamente
Mediante el uso de la simulación numérica, como se muestra en la Fig.1, la eficiencia de transmisión copolarizada y las variaciones de fase correspondientes tanto para la luz X-lineal-polarizada (XLP) como para la luz Y-polarizada lineal (YLP) se calculan como funciones de las geometrías de los ladrillos de silicio. Cuando la luz XLP incide sobre la metasuperficie dieléctrica propuesta, existe una alta transmitancia para casi todas las dimensiones del nanoladrillo, como se presenta en la Fig. 1a. Mientras tanto, la Fig. 1b implica un rango completo de fase de 0 a 2 π en transmisión de luz XLP, que podría proporcionar una cobertura completa de la fase del frente de onda. Más importante aún, para la gran mayoría de dimensiones, los nanoladrillos tienen más del 88% de eficiencia de transmisión de energía copolarizada, lo que podría atribuirse a la baja reflexión y casi ninguna absorción de la metasuperficie dieléctrica en la longitud de onda de telecomunicaciones. La eficiencia de transmisión copolarizada y las variaciones de fase correspondientes bajo la incidencia de YLP se representan en la Fig. 1c, d, respectivamente. Debido a la simetría, la dependencia de las propiedades ópticas de la metasuperficie dieléctrica de las dimensiones geométricas para la luz YLP es similar a la de la luz XLP, que se muestra claramente en la Fig. 1. Por lo tanto, para la luz YLP, la eficiencia de transmisión copolarizada también es superior al 88% y el rango de fase de modulación puede variar de 0 a 2 π .
En resumen, una gama completa de control de fase de 0 a 2 π podría lograrse de manera efectiva en el caso de incidencias de XLP e YLP simplemente cambiando la dimensión geométrica del nanoladrillo a lo largo de la dirección X (es decir, a ) y la dirección Y (es decir, b ), respectivamente. En consecuencia, el rango de control de fase podría extenderse a modos de difracción de alto orden (es decir, de 0 a N × 2 π ) debido a la periodicidad de la fase. Para demostrar la versatilidad y el control de fase preciso de los nanoladrillos diseñados, se han propuesto dos dispositivos ópticos de tipo transmisión con alta eficiencia diseñando bien la metasuperficie con una disposición simple, incluidos dos divisores de haz polarizador y un generador de vórtice óptico.
Resultados y discusión
Diseño de divisores de haz polarizador
El control de la polarización en el chip es un tema importante para los circuitos integrados fotónicos. El divisor de haz polarizador es uno de los dispositivos ópticos esenciales que se utilizan para controlar la polarización en un chip, que se puede utilizar para separar la luz de entrada en dos componentes de polarización ortogonal [33, 34]. De acuerdo con los resultados de la simulación anteriores, se podrían realizar divisores de haz con birrefringencia orientable basados en la metasuperficie dieléctrica propuesta, lo que indica que dos fases diferentes de la luz de refracción XLP ( φ x ) y luz de refracción YLP ( φ y ) podría obtenerse simultáneamente seleccionando adecuadamente los diámetros de nanoladrillos a y b , respectivamente. Por lo tanto, aquí diseñamos metasuperficies y empleamos esta nueva propiedad para realizar divisores de haz de polarización para distinguir dos polarizaciones ortogonales de luz de entrada en dos direcciones con una alta eficiencia de transmisión de hasta el 88%. Además, la metasuperficie diseñada podría funcionar no solo en los modos de difracción de primer orden sino también de orden superior.
Diseñamos los divisores de haz polarizador mediante 13 nanoladrillos dieléctricos con tres permutaciones diferentes para generar modos de difracción de diferentes órdenes con alta eficiencia. En el diseño de metasurface 1 ( M 1 ), discretizamos el rango de fase de 0 a 2 π y de 2 π a 0 en 13 nanoladrillos con igual paso de 2 π / 13 y −2 π / 13 para luz transmitida con polarización X e Y, respectivamente. Las dimensiones laterales de los 13 nanoladrillos de silicio seleccionados están numeradas en orden ascendente, como se muestra en la primera línea de la Fig. 2a. Aparentemente, el rango de control de fase podría extenderse al modo de difracción de alto orden seleccionando apropiadamente las celdas unitarias en M 1 y reorganizándolos. Por ejemplo, si ampliamos el modo de difracción al orden N, el rango de fase debería cubrir de 0 a N × 2 π y de N × 2 π a 0 con una diferencia de fase de N × 2 π / 13 y - N × 2 π / 13 entre dos nanoladrillos vecinos para luz transmitida polarizada en X e Y, respectivamente. Por lo tanto, la segunda línea de la Fig. 2a presenta las supercélulas reorganizadas para el modo de difracción de tercer orden ( M 3 ), cuyo rango de control de fase es de 0 a 3 × 2 π y de 3 × 2 π a 0 con una diferencia de fase de 3 × 2 π / 13 y −3 × 2 π / 13 entre dos nanoladrillos vecinos para luz transmitida polarizada en X e Y, respectivamente. Además, la metasuperficie ( M 5 ) para el modo de difracción de quinto orden también se construye mediante un conjunto de 13 nanoladrillos dieléctricos, que también se reorganizan para cubrir todo el rango de control de fase de 0 a 5 × 2 π y de 5 × 2 π a 0 con una diferencia de fase de 5 × 2 π / 13 y −5 × 2 π / 13 entre dos nanoladrillos vecinos para luz transmitida polarizada X e Y, respectivamente, como se presenta en la tercera línea de la Fig. 2a. Para mostrar la idea claramente, las fases de transmisión de las 13 antenas en tres permutaciones concretas bajo luz XLP e YLP se representan en la Fig. 2b.
Diseño de las metasuperficies dieléctricas con tres modos de difracción de diferentes órdenes. un Esquemas de las dimensiones laterales de los 13 nanoladrillos diseñados. Primera línea M 1 :una supercélula con fase transmitida que va de 0 a 2 π . Segunda línea M 3 :una supercélula reorganizada con una fase que varía de 0 a 3 × 2 π . Tercera línea M 5 :una supercélula reorganizada con una fase que varía de 0 a 5 × 2 π . b Las fases de transmisión simuladas de los 13 nanoladrillos diseñados de tres modos diferentes bajo XLP ( líneas negras ) y YLP ( líneas azules ) incidencias, respectivamente. c a ( líneas negras sólidas ) y b ( líneas punteadas negras ) de los 13 nanoladrillos utilizados en las metasuperficies diseñadas M 1 . Las líneas azules representan las eficiencias transmitidas de los 13 nanoladrillos en M 1 debajo de XLP ( líneas continuas ) y YLP ( líneas de puntos ) incidencias, respectivamente
Además, las transmisiones de los 13 nanoladrillos diseñados bajo luz XLP e YLP han sido simuladas y concuerdan bien con la predicción teórica. La figura 2c muestra las dimensiones geométricas de los nanoladrillos de silicio y las eficiencias transmitidas de los 13 nanoladrillos en la metasuperficie M 1 bajo la luz XLP y YLP. Las transmisiones copolarizadas de la mayoría de los nanoladrillos dieléctricos son comparables y se mantienen por encima del 88%, aunque hay dos transmisiones de nanoladrillos que se mantienen cerca del 80%. Estos resultados de simulación verifican que nuestras metasuperficies diseñadas podrían aplicarse para fabricar numerosos dispositivos ópticos con alta eficiencia.
Las simulaciones numéricas del divisor de haz polarizador se realizan iluminando las metasuperficies diseñadas M 1 a incidencia normal con el ángulo polarizado de 45 ° . La luz de hormigón XLP y YLP podría extraerse de todos los campos transmitidos, como se muestra en la figura 3a. Está claro que existe un frente de onda bien definido y las eficiencias de transmisión copolarizadas de M 1 se representan como funciones del ángulo transmitido en la Fig. 3b. Los ángulos máximos de transmisión copolarizados son −10,2 ° y 10,2 ° para luces XLP e YLP transmitidas, respectivamente. Las eficiencias de primer orden son T xx =85,9% y T yy =88,4% para las luces XLP e YLP transmitidas, respectivamente, donde T xx es el coeficiente de transmisión simulado de la luz XLP con la incidencia de XLP y T yy es el coeficiente de transmisión simulado de la luz YLP con la incidencia YLP. En comparación con la eficiencia de transmisión de las matrices de nanoladrillos espacialmente homogéneas, la eficiencia de conversión se reduce ligeramente debido al acoplamiento entre resonadores de diferentes dimensiones [35]. Sobre la base de la ley de Snell generalizada, el ángulo de difracción de la luz incidente en una metasuperficie en gradiente se puede calcular mediante θ t =Sin −1 [( λ 0 / n t L ) + n i pecado ( θ i ) / n t ], donde n t y n i son los índices de refracción de los medios en los lados de transmisión e incidente de la interfaz, respectivamente, θ i es el ángulo de incidencia, λ 0 es la longitud de onda de la luz en el vacío y L es la longitud de una supercélula [36]. Por tanto, los resultados teóricos de los ángulos de difracción de primer orden son ± 10,22 ° . La simulación numérica y la teoría concuerdan bien entre sí. Es decir, el dispositivo diseñado puede servir como divisor de haz polarizador con un tratamiento sucesivo adecuado. Además, el frente de onda incidente casi no se ha visto afectado por la luz reflejada de la metasuperficie, lo que verifica que toda la luz incidente podría transmitirse desde las metasuperficies con una eficiencia extremadamente alta.
un Las distribuciones del campo eléctrico ( E ) de XLP transmitido extraído ( izquierda ) y YLP ( derecha ) luz, cuando una luz incidente normal con 45 ° polarización lineal a la longitud de onda de 1500 nm transmitida a través de las metasuperficies diseñadas. b Las eficiencias transmitidas copolarizadas de las metasuperficies diseñadas como función del ángulo transmitido bajo las iluminaciones de luces polarizadas en X e Y polarizadas, respectivamente
A modo de comparación, la Fig. 4 muestra las distribuciones concretas del campo eléctrico transmitido XLP e YLP de las otras dos metasuperficies dieléctricas reorganizadas hechas de supercélulas de nuevo diseño ( M 3 y M 5 ) por debajo de los 45 ° Luz incidente polarizada lineal. Dado que el rango de fase transmitido de las dos supercélulas ha cambiado, los ángulos de difracción de M 3 y M 5 se calculan teóricamente en ± 32,18 ° y ± 62,56 ° , respectivamente. En la Fig. 4a, b, existen dos frentes de fase bien definidos con ángulos de difracción de tercer orden de −32 ° y 32 ° para luces XLP e YLP transmitidas, respectivamente. En la Fig. 4c, d, el ángulo de difracción de quinto orden es −63 ° y 63 ° para luces XLP e YLP transmitidas, respectivamente. Además, las eficiencias transmitidas copolarizadas simuladas de las metasuperficies diseñadas compuestas de supercélulas reorganizadas M 3 y M 5 también se han ilustrado en la Fig. 5a, b, respectivamente. Los ángulos máximos de transmisión coinciden bien con los ángulos de difracción teóricos calculados por la ley de Snell generalizada, y las eficiencias de difracción copolarizada de tercer orden son 82 y 84% para luces XLP e YLP transmitidas. Sin embargo, las eficiencias de difracción copolarizada de quinto orden son solo del 73,5 y el 78,4% para las luces XLP e YLP transmitidas, lo que se debe esencialmente al acoplamiento EM no deseado entre nanoladrillos vecinos con diferentes geometrías. Por lo tanto, las metasuperficies diseñadas podrían funcionar bien en modos de difracción de orden superior simplemente modificando la disposición de los 13 nanoladrillos dieléctricos. Más importante aún, se demuestra que el modo de difracción podría personalizarse controlando la diferencia de fase entre nanoladrillos dieléctricos adyacentes en una supercélula.
Las distribuciones del campo eléctrico del XLP transmitido extraído ( izquierda ) y YLP ( derecha ) por debajo de la incidencia normal de 45 ° luz de polarización lineal a las metasuperficies de M 3 ( a , b ) y M 5 ( c , d ), respectivamente
Las eficiencias transmitidas copolarizadas de las metasuperficies diseñadas compuestas de supercélulas reorganizadas a M 3 y b M 5 como funciones del ángulo transmitido bajo la iluminación de una luz polarizada X e Y polarizada, respectivamente
Diseño de generadores de vórtice ópticos
El haz de vórtice óptico tiene un frente de onda helicoidal y lleva un momento angular orbital de lℏ [37, 38], que hacen que muestre grandes promesas en litografía de alta resolución [39, 40], trampa óptica [41, 42], comunicación óptica [43, 44], etc. Aquí, la carga topológica l es el número de giros del frente de onda y ℏ es la constante de Planck reducida. El haz de vórtice con la carga topológica de 1 puede ser generado por metasuperficies con un perfil de fase en espiral que varía de 0 a 2 π con incremento de fase idéntico a lo largo de la dirección azimutal. Por lo tanto, para demostrar aún más la capacidad de la metasuperficie diseñada para manipular la fase transmitida y el modo de difracción, diseñamos un generador de vórtice que puede convertir un haz gaussiano homogéneo incidente en un haz de vórtice. Para lograr este objetivo, disponemos los 13 nanoladrillos dieléctricos de M 1 en los 13 sectores para introducir un incremento de fase de gradiente de 2 π / 13a través de la dirección azimutal. Los perfiles de intensidad transmitida bajo la incidencia de XLP en z =10 μm se muestran en la Fig. 6a y tienen la intensidad característica mínima en el centro correspondiente a una singularidad de fase. Los patrones de fase espacial con un evidente salto de fase abrupto de - π a π dentro de un 2 π El rango azimutal se muestra en la Fig. 6d, lo que indica que la carga topológica de los dispositivos ópticos en la Fig. 6d es 1.
un - c Las distribuciones de intensidad transmitidas y d - f los frentes de onda de fase de los haces de vórtice generados en z =10 μm con carga topológica de l =1, 2, 3 basado en las metasuperficies M 1 , M 2 y M 3 bajo la incidencia de polarización X, respectivamente
Además, diseñamos otros dos generadores de vórtice para generar haces de vórtice cambiando la disposición de los nanoladrillos en M 1 . Estos dos generadores de haces de vórtice poseen las cargas topológicas de 2 y 3, respectivamente. Sus perfiles de intensidad transmitida bajo la incidencia de XLP se muestran en las Fig. 6b, c, respectivamente. Los enfoques de diseño concreto modulan la diferencia de fase de los nanoladrillos para que sea 4 π / 13 y 6 π / 13entre dos nanoladrillos dieléctricos vecinos, que se definen como M 2 y M 3 . Por lo tanto, los perfiles de fase espacial instantánea en la Fig. 6e, f poseen dos y tres saltos de fase abruptos evidentes desde - π a π , respectivamente. Cambiar la polarización incidente de XLP a YLP no cambia el patrón de intensidad de salida, pero la dirección de torsión del frente de onda helicoidal será inversa debido a la diferencia de fase decreciente entre los nanoladrillos vecinos. Además, debe tenerse en cuenta que los perfiles de fase de orden superior también podrían ser generados por nuestras metasuperficies dieléctricas diseñadas.
Conclusiones
En conclusión, hemos demostrado que las metasuperficies de gradiente dieléctrico consisten en una disposición periódica de nanoladrillos de silicio de diferentes tamaños, que podrían transmitir la luz de entrada con un rango completo de fase de manipulación de 0 a 2 π y una eficiencia extremadamente alta (más del 88%) en la longitud de onda de las telecomunicaciones. Sobre la base de las metasuperficies dieléctricas diseñadas, se proponen nuevos divisores de haz de polarización que funcionan en los modos de difracción de orden superior para separar dos luces polarizadas de entrada ortogonal en direcciones diferentes arbitrarias. Además, también hemos diseñado dos generadores de haz de vórtice que funcionan en los modos de difracción de orden superior con diferentes cargas topológicas. Nuestro trabajo también podría extenderse fácilmente al diseño de otros dispositivos de transmisión óptica con alta eficiencia.
Nanomateriales
- Mantenimiento proactivo de motores y generadores de alta tensión
- Nanofibras y filamentos para una mejor administración de fármacos
- Control completo de polarización de terahercios con ancho de banda ampliado a través de metauperficies dieléctricas
- Ingeniería del proceso de recubrimiento por inmersión y optimización del rendimiento para dispositivos electrocrómicos de tres estados
- Metasuperficies dieléctricas de alto orden para divisores de haz de polarización de alta eficiencia y generadores de vórtices ópticos
- Hidrocincita soportada por aerogel de sílice e hidrotalcita intercalada con carbonato para la eliminación de alta eficiencia de iones de Pb (II) mediante reacciones de transformación por precipitac…
- Propiedades ópticas del infrarrojo cercano visible y estructural del TiO2 dopado con Cr para pigmentos fríos coloreados
- Preparación y propiedades ópticas de las películas GeBi mediante el método de epitaxia de haz molecular
- Convertidor de polarización con birrefringencia controlable basado en metauperficie híbrida de grafeno totalmente dieléctrico
- Materiales y diseño de PCB para alta tensión
- Fibra óptica con clasificación de 500 °C para aplicaciones de alta temperatura