Metasuperficies de silicio ultraeficientes para división de haz por polarización y generación de haces vórtice en longitudes de onda de telecomunicaciones

Resumen

Este estudio introduce una metasuperficie dieléctrica de alto orden compuesta por un array de nanoladrillos de silicio. Al ajustar precisamente la longitud y anchura del ladrillo, el dispositivo entrega dos fases de transmisión incrementales distintas para luz polarizada linealmente en X (XLP) e Y (YLP), logrando eficiencias de transmisión consistentemente superiores al 88 %. Aprovechando esta capacidad, diseñamos exitosamente dos divisores de haz polarizadores operando en modos de difracción de alto orden, cada uno demostrando alta eficiencia transmitida. Además, se fabricaron dos generadores de haces vórtice en modos de difracción de alto orden, produciendo haces vórtice con cargas topológicas 2 y 3. El uso de metasuperficies dieléctricas en modos de difracción de alto orden allana el camino para una amplia gama de dispositivos ópticos ultraeficientes.

Antecedentes

Los avances recientes en electromagnetismo se han centrado en el control total de ondas de luz, con los metamateriales emergiendo como área de investigación clave debido a sus respuestas ópticas diseñadas [1]. Estas estructuras artificiales han permitido fenómenos como refracción negativa, refracción cero y luz lenta [2-4]. Sin embargo, los metamateriales tridimensionales convencionales sufren pérdidas intrínsecas y fabricación compleja, limitando su despliegue práctico. Los metamateriales bidimensionales, o metasuperficies, mitigan estos inconvenientes ofreciendo estructuras sub-longitud de onda ultradelgadas que son más fáciles de fabricar e integrar [5-7]. Las metasuperficies manipulan la amplitud o fase de la luz incidente a través de resonadores sub-longitud de onda, permitiendo funcionalidades como guías de onda ajustables, placas de onda, lentes, refracción anómala, generadores de vórtices y hologramas [8-19]. Si bien las metasuperficies superan a sus contrapartes 3D en eficiencia, las pérdidas siguen siendo una preocupación, especialmente cuando hay componentes metálicos involucrados. Para superar esto, se han propuesto metasuperficies de Huygens y metasuperficies totalmente dieléctricas. Los diseños de Huygens reducen pérdidas pero aún enfrentan desafíos de fabricación debido a su naturaleza 3D [20]. Las metasuperficies totalmente dieléctricas, al superponer resonancias eléctricas y magnéticas a la misma frecuencia, logran control de fase 2π completo con alta eficiencia de transmisión [21-27]. Sin embargo, la mayoría de dispositivos demostrados operan en primer o segundo orden de difracción; los modos de difracción de alto orden permanecen inexplorados, principalmente debido a bajas eficiencias causadas por pérdidas metálicas [28-32]. En este trabajo, presentamos una metasuperficie totalmente dieléctrica capaz de manipular frentes de onda en modos de difracción de alto orden manteniendo eficiencias de transmisión superiores al 88 %. Usando esta plataforma, diseñamos dos divisores de haz polarizadores que separan polarizaciones ortogonales en direcciones distintas con alta eficiencia, y dos generadores de haces vórtice que producen cargas topológicas 2 y 3, mostrando la versatilidad del control de difracción de alto orden.

Métodos

El diseño de la metasuperficie se ilustra en Fig. 1a. Consiste en nanoladrillos de silicio cristalino de 900 nm de espesor fabricados sobre sustrato SiO₂ de 200 nm (índices de refracción 3,48 y 1,48, respectivamente). El alto índice de refracción del silicio confiere resonancias fuertes con pérdida óhmica mínima, y su fabricación puede realizarse mediante técnicas semiconductoras maduras como litografía de haz de electrones (EBL) y fresado por haz de iones enfocado (FIB). El sustrato SiO₂ se eligió para suprimir reflexión y absorción en la longitud de onda objetivo de telecomunicaciones de 1500 nm. Se adoptó una constante de red S = 650 nm. El control de fase de transmisión se gobierna por las dimensiones del nanoladrillo a lo largo de ejes X e Y. Simulaciones numéricas se realizaron usando el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD), con capas perfectamente adaptadas (PML) en top y bottom y condiciones de contorno periódicas (PBC) lateralmente. La longitud de onda de operación elegida es 1500 nm. La Figura 1a-d muestra la eficiencia de transmisión co-polarizada y variación de fase para luz XLP e YLP en función de las dimensiones del nanoladrillo (a = anchura, b = longitud). Las simulaciones revelan que, para la gran mayoría de geometrías, la transmisión co-polarizada supera 88 %, mientras que la fase puede ajustarse en el rango completo 0–2π. La simetría de la estructura asegura rendimiento similar para ambas polarizaciones, permitiendo control de fase independiente para luz XLP e YLP ajustando a y b, respectivamente.

Resultados y discusión

Diseño de divisores de haz polarizadores

El control de polarización en chip es esencial para fotónica integrada. El divisor de haz polarizador (PBS) que proponemos explota las respuestas de fase distintas para luz XLP e YLP, permitiendo separación en dos haces espacialmente distintos con alta eficiencia.

Cada PBS se construye a partir de 13 nanoladrillos dispuestos en una supercelda. Discretizando la fase sobre 0–2π para luz XLP y 2π–0 para luz YLP con paso de ±2π/13, logramos un gradiente de fase de alto orden. Las dimensiones laterales de los 13 ladrillos se listan en Fig. 2a. Reordenando estos ladrillos se obtienen modos de difracción de orden superior: el modo de tercer orden (M₃) abarca 0–3×2π, mientras que el modo de quinto orden (M₅) abarca 0–5×2π. Este simple rearreglo expande la cobertura de fase proporcionalmente al orden de difracción.

Simulaciones del PBS bajo iluminación polarizada linealmente a 45° confirman el diseño. Los campos XLP e YLP extraídos (Fig. 3a) muestran frentes de onda distintos con ángulos de difracción pico de –10,2° (XLP) y +10,2° (YLP). Las eficiencias co-polarizadas correspondientes son 85,9 % (XLP) y 88,4 % (YLP). Los ángulos de difracción coinciden con la predicción de la ley de Snell generalizada (±10,22°), validando la capacidad de direccionamiento de haz de alto orden y confirmando que casi toda la luz incidente se transmite con reflexión mínima.

Para PBS de orden superior, los ángulos de difracción teóricos de M₃ y M₅ son ±32,18° y ±62,56°, respectivamente. Las Figuras 4a-d ilustran los frentes de fase bien definidos y confirman estos ángulos. Las eficiencias co-polarizadas caen modestamente a 82-84 % (tercer orden) y 73,5-78,4 % (quinto orden), principalmente debido al acoplamiento entre ladrillos de geometría diferente. No obstante, las metasuperficies mantienen alta transmisión en todos los modos de alto orden.

Diseño de generadores de vórtices ópticos

Los haces vórtice ópticos, caracterizados por un frente de fase helicoidal y momento angular orbital lℏ, encuentran aplicaciones en litografía, atrapamiento y comunicaciones [37-44]. Para generar haces vórtice, disponemos los 13 ladrillos de M₁ en 13 sectores azimutales, creando una rampa de fase continua de 2π/13 a lo largo de la circunferencia. La Figura 6a muestra el perfil de intensidad del vórtice l = 1 generado, con un nulo central y salto de fase 2π de –π a π.

Para lograr cargas topológicas superiores, modificamos el paso de fase entre ladrillos adyacentes a 4π/13 (l = 2) y 6π/13 (l = 3), generando M₂ y M₃. Los perfiles de intensidad resultantes (Fig. 6b,c) y mapas de fase (Fig. 6e,f) exhiben dos y tres saltos de fase 2π claros, respectivamente. Cambiar la polarización de incidencia de XLP a YLP invierte el sentido helicoidal mientras preserva el patrón de intensidad, debido a la respuesta de fase simétrica. Esto demuestra que nuestras metasuperficies pueden generar órdenes de vórtice arbitrarios por simple reconfiguración de ladrillos.

Conclusiones

Hemos diseñado metasuperficies dieléctricas compuestas de nanoladrillos de silicio periódicos que proveen cobertura de fase 0–2π completa con eficiencias de transmisión superando 88 % en la longitud de onda de telecomunicaciones de 1500 nm. Aprovechando estas propiedades, realizamos divisores de haz polarizadores de alto orden que separan polarizaciones ortogonales en direcciones distintas con alta eficiencia, y generadores de vórtices ópticos que producen cargas topológicas hasta 3 en modos de difracción de alto orden. La simplicidad del diseño —modificar dimensiones y arreglo de ladrillos— facilita fabricación rápida y allana el camino para una nueva clase de dispositivos fotónicos ultraeficientes.