Divisor de haz de polarización de luz visible de alta eficiencia usando metasuperficies dieléctricas totales

Resumen

Presentamos una metasuperficie dieléctrica total de gradiente compuesta por una red periódica de nanobloques de silicio en forma de cruz sobre sustrato de sílice fundida que funciona como divisor de haz de polarización en el espectro visible. Al diseñar dos gradientes de fase de transmisión opuestos a lo largo de la dirección x para luz polarizada linealmente x- e y-, la metasuperficie dirige las dos polarizaciones ortogonales a ángulos simétricos a cada lado del haz incidente en el plano x–z. Para polarización incidente de 45°, los componentes transmitidos x- e y-polarizados exhiben intensidad casi igual entre 579–584 nm. El dispositivo ofrece una solución compacta y ultradelgada para sistemas ópticos de espacio libre que requieren división de polarización de alta eficiencia.

Introducción

Las metasuperficies —arrays bidimensionales de nanoantenas sublongitud de onda— han emergido como plataformas poderosas para manipular fase, amplitud y polarización de luz con perfiles ultradelgados. Comparadas con óptica voluminosa, las metasuperficies permiten dispositivos compactos, de baja pérdida y más fáciles de fabricar. Ya han habilitado convertidores de polarización, holografía, lentes planas y divisores espectrales.

Las metasuperficies metálicas originalmente lograron desviación de haz via dos resonancias de fase π o fase geométrica, pero su absorción intrínseca limita eficiencia de transmisión. Metasuperficies dieléctricas totales, basadas principalmente en silicio, evitan estas pérdidas y ofrecen varias rutas a control de fase 2π completo: fase geométrica, resonancias Mie superpuestas (metasuperficies Huygens) y resonancias Fabry-Pérot en antenas de alto aspecto. En este trabajo, explotamos este último enfoque, tratando cada bloque de silicio como guía de onda truncada cuyo índice efectivo gobierna la fase de transmisión.

Los divisores de haz de polarización (PBS) son vitales en muchas arquitecturas ópticas. Diseños PBS existentes emplean redes sublongitud de onda, acopladores plasmónicos híbridos o estructuras de interferencia multimodo. Aquí proponemos un PBS simple de gran ángulo construido desde array de silicio en forma de cruz que logra división de potencia igual para polarización incidente 45°, operando eficientemente en longitudes de onda visibles.

Métodos

La Figura 1 ilustra el layout de la metasuperficie: una red cuadrada de bloques de silicio en forma de cruz (altura 260 nm) reposa sobre sustrato de sílice índice 1,45. Las constantes de red son P_x = P_y = 200 nm. Simulaciones FDTD tridimensionales (fronteras periódicas en x e y, capas perfectamente adaptadas entlang z) modelan ondas planas de incidencia normal desde abajo.

Cada bloque cruz es equivalente a dos barras de silicio ortogonales: una con ancho fijo w (70 nm) y longitud variable a lo largo del eje de polarización incidente. Para incidencia polarizada y, las longitudes L_y (60–200 nm) ajustan la fase de transmisión manteniendo w constante. Similarmente, para incidencia polarizada x, las longitudes L_x se varían. Cuatro celdas unitarias discretas (ver Fig. 2) abarcan rango 0–2π de fase con paso de ±π/2 entre celdas adyacentes, creando gradientes de fase opuestos para las dos polarizaciones.

Configuración esquemática de la metasuperficie en forma de cruz actuando como divisor de haz de polarización

Usando la ley de Snell generalizada

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

el ángulo de refracción anómalo se determina por el gradiente de fase dΦ/dx. Para luz polarizada y, dΦ = –π/2; para luz polarizada x, dΦ = +π/2. Esto produce deflexión de 46,8° a 583 nm.

Resultados y Discusiones

Simulaciones confirman la deflexión predicha de 46,78° para ambas polarizaciones. Figura 3a muestra campo eléctrico en plano x–z para incidencia polarizada x, coincidiendo con ángulo teórico. La intensidad de campo lejano (Fig. 3b) produce transmisión total de 69,7 % y eficiencia de deflexión de 63,7 % —limitada principalmente por 12,5 % reflexión en interfaz, 17,8 % absorción en silicio y 6 % órdenes de difracción no deseados.

Distribuciones de campo eléctrico cerca de la metasuperficie en plano x‑z bajo a incidencia polarizada x y c incidencia polarizada y. Distribuciones de intensidad de campo lejano normalizadas para b luz polarizada x y d luz polarizada y de incidencia normal. La longitud de onda operativa es 583 nm, y el ángulo transmitido se define como valor positivo (negativo) en lado derecho (izquierdo) de la normal.

Para incidencia polarizada y, el ángulo de deflexión es –46,78°, con eficiencia de deflexión 66,4 % y transmisión total 75,2 %. Despreciando absorción en silicio, eficiencias podrían acercarse 90 % —a la par con diseños previos PBS metasuperficie silicio.

Cuando una onda plana polarizada linealmente a 45° al eje x ilumina la metasuperficie, el dispositivo excita simultáneamente las dos resonancias ortogonales, generando salidas x- e y-polarizadas de intensidad igual. Figura 4c muestra campos eléctricos extraídos; Fig. 4b muestra intensidades de campo lejano, cada 0,336 de la potencia incidente. Así, 46,3 % de la energía total transmitida se canaliza en los órdenes de difracción +1 y –1 para las dos polarizaciones, mientras el orden 0 cuenta solo 7,4 %. Entre 579–584 nm, la diferencia de intensidad entre las dos salidas permanece por debajo 2 %, confirmando división de potencia igual de banda ancha.

a Mecanismo de funcionamiento del divisor de haz de polarización propuesto (vista frontal). b Intensidad de campo lejano normalizada. c Distribuciones de campo eléctrico transmitido x-polarizado (izquierda) y y-polarizado (derecha) de la metasuperficie diseñada bajo incidencia normal de luz polarizada 45° a longitud de onda 583 nm.

Efectos de periodicidad se examinaron variando constante de red en dirección ortogonal (190–210 nm). Cambios de fase y transmisión fueron despreciables (<0,05π), confirmando independencia del diseño de acoplamiento cruzado y simplificando fabricación.

Conclusiones

Hemos diseñado una metasuperficie dieléctrica total de silicio en forma de cruz que funciona como divisor de haz de polarización de alta eficiencia en rango visible. El dispositivo divide luz polarizada 45° en componentes x- e y-de igual potencia a 583 nm con ángulo de deflexión 46,8° y eficiencia de deflexión 63–66 %. Su huella compacta y ultradelgada y rendimiento de división de potencia igual de banda ancha lo hacen atractivo para integración en circuitos fotónicos todo-ópticos de próxima generación.