Divisor de haz de polarización eficiente basado en una metauperficie totalmente dieléctrica en una región visible

Introducción

En los últimos años, las metasuperficies, estructuras bidimensionales de sublongitud de onda compuestas por nanoantenas en una configuración de matriz, han recibido una enorme atención. Metasurface puede manipular la luz incidente en una escala de sublongitud de onda porque su espesor estructurado ultradelgado introduce cambios abruptos de los parámetros del haz incidente. Por ejemplo, la fase [1, 2, 3, 4, 5], la amplitud [6, 7, 8, 9] y la polarización [10, 11, 12, 13] de los haces incidentes se pueden manipular ajustando la forma , tamaño y orientación de las nanoantenas de sublongitud de onda. En comparación con los materiales voluminosos convencionales, los dispositivos de metasufracia son más fáciles de fabricar y su grosor ultrafino en la trayectoria óptica puede suprimir en gran medida las pérdidas de transmisión. Sobre la base de las interesantes ventajas anteriores, las metasuperficies se han utilizado en muchas aplicaciones, como convertidor de polarización [11,12,13], impresión a todo color [14], holografía [15], lentes planas [16], generación de vórtices ópticos [ 4, 17] y división del espectro [18,19,20,21].

Originalmente, se utilizaron nanoestructuras metálicas para constituir metasuperficies con deflexión del haz [1, 22, 23]. La cobertura de fase 2π requerida generalmente se puede lograr basándose en dos métodos. Uno genera dos resonancias independientes, cada una de las cuales introduce un cambio de fase de π. La otra es rotar espacialmente los resonadores de sublongitud de onda dependientes de la polarización de 0 ° a 180 °. Sin embargo, las pérdidas por absorción de las metasuperficies metálicas limitan la eficiencia en el modo de transmisión. Recientemente se han propuesto metasuperficies totalmente dieléctricas para sustituir a las metálicas debido a sus bajas pérdidas por absorción [24,25,26,27,28]. Hasta la fecha, se han demostrado tres enfoques diferentes para realizar el cambio de fase 2π en las metasuperficies totalmente dieléctricas, la fase geométrica [27], la resonancia Mie [2, 4, 7] y la resonancia Fabry-Pérot [3, 28]. El primer método es similar al segundo método anterior de metasuperficie metálica; funciona con luz polarizada circularmente. El segundo mecanismo cubre el rango completo de fase 2π basado en resonancias magnéticas y eléctricas superpuestas espectralmente; la metasuperficie diseñada de esta manera también se conoce como metasuperficie de Huygens. El tercer método, al igual que el utilizado en este artículo, utiliza nanoantenas de alta relación de aspecto para obtener el control de fase deseado. Las antenas pueden considerarse guías de ondas truncadas en este caso, y la fase de transmisión se manipula mediante el índice de refracción efectivo del modo fundamental en antenas dieléctricas de diferentes tamaños. El silicio se aplica generalmente en dispositivos de metasuperficie totalmente dieléctricos [2, 3, 4] por su alto índice de refracción, baja pérdida y proceso de fabricación maduro. En cuanto a algunos otros materiales de bajo índice de refracción, como la sílice (SiO ₂ ), nitruro de silicio (Si ₃ N ₄ ) y dióxido de titanio (TiO ₂ ), sus pérdidas pueden ignorarse, pero las relaciones de aspecto más altas hacen que la fabricación sea muy desafiante.

El divisor de haz de polarización, un dispositivo que puede separar un haz óptico en dos componentes polarizados ortogonalmente que se propagan a lo largo de diferentes caminos, es un componente importante en los sistemas ópticos. Los divisores de haz de polarización reportados en la literatura están diseñados principalmente sobre la base de las siguientes estructuras, incluidas las estructuras de sublongitud de onda [29, 30, 31], acopladores plasmónicos híbridos [32], rejillas [33], estructuras de interferencia multimodo (MMI) [34] y acopladores direccionales asimétricos [35, 36]. Farahani y Mosallaei [29] propusieron una metasuperficie reflectarray infrarroja para volver a irradiar la luz entrante en dos haces reflectantes polarizados ortogonalmente. Guo y col. [30] diseñó un divisor de polarización basado en metasuperficies de silicio en la longitud de onda específica de 1500 nm. En este trabajo, proponemos un divisor de haz de polarización desviado simple y de gran ángulo basado en metasuperficie dieléctrica, que está construido por diferentes matrices de resonadores de silicio en forma de cruz encima del sustrato de sílice. Cuando x - o años -La luz polarizada es normalmente incidente, la dirección de polarización de la luz transmitida es la misma que la de la luz incidente. A una longitud de onda de 583 nm, el ángulo de desviación es de 46,78 ° y la eficiencia de desviación es de 63,7% bajo x -incidencia polarizada, mientras que la eficiencia de deflexión es 66,4% y el ángulo de deflexión es - 46,78 ° para y -polarizado. Además, el dispositivo propuesto es capaz de separar la luz polarizada linealmente en x - y y -polarizados. Especialmente, cuando la polarización de la luz incidente está en un ángulo de 45 ° con la x En el eje, dos haces transmitidos polarizados ortogonalmente poseen intensidades aproximadamente iguales dentro de la región de longitud de onda de 579 a 584 nm.

Métodos

La Figura 1 muestra esquemáticamente la configuración del dispositivo divisor de haz de polarización propuesto, que está diseñado en base a una metasuperficie totalmente dieléctrica. La metasuperficie está compuesta por una serie de bloques de silicio en forma de cruz colocados sobre el sustrato de sílice. Las constantes ópticas del silicio se toman de Ref [37], y el índice de refracción de la sílice es 1,45. La altura del bloque de silicio h se establece en 260 nm; el período de la celda unitaria a lo largo de la x - y y -Las direcciones están optimizadas para ser Px =200 nm y Py =200 nm. La simulación numérica se realiza mediante modelos tridimensionales en el dominio del tiempo de diferencia finita (FDTD), en los que se aplican condiciones de contorno periódicas en ambos x - y y -direcciones y capas perfectamente emparejadas se utilizan a lo largo de la z -dirección. La onda plana normalmente incide desde la parte inferior del sustrato. La matriz de nanobloques de silicio en forma de cruz puede verse como compuesta por dos matrices de bloques de silicio perpendiculares. Una matriz es que las longitudes w de las antenas a lo largo de la x -eje permanece constante mientras que las longitudes Ly a lo largo de la y -cambio de eje para inducir el gradiente de fase bajo y -incidencia polarizada. Por el contrario, otro introduce el gradiente de fase para x -iluminación polarizada variando las longitudes Lx de las antenas a lo largo de la x -dirección y mantenimiento de las longitudes w a lo largo de la y -eje constante.

Configuración esquemática de la metasuperficie en forma de cruz propuesta que actúa como un divisor de haz de polarización

En primer lugar, diseñamos la matriz de gradiente de fase en y -incidencia polarizada. Como se muestra en la Fig. 2a yb, calculamos la transmisión y la respuesta de fase de los bloques de silicio periódicos cambiando el ancho w de 60 a 75 nm y la longitud Ly de 60 a 200 nm a la longitud de onda de 583 nm. No se puede obtener una cobertura de fase 2π completa cuando el ancho w es inferior a 61,5 nm, pero la intensidad de transmisión disminuye a medida que el ancho w aumenta. Considerando la fabricación del proceso, mientras tanto, el ancho w de la unidad elemental se fija en 70 nm, y la longitud Ly se varía para proporcionar el control completo de la fase de transmisión 2π como se muestra en la Fig. 2c. La transmisión y la respuesta de fase en función de la longitud Ly en la longitud de onda de 583 nm se muestran en la Fig. 2d. Para un ángulo de división grande, se seleccionan cuatro unidades diferentes para abarcar el rango de fase de 0 a 2π, las longitudes Ly de cuatro elementos son Ly ₁ =169 nm, Ly ₂ =122 nm, Ly ₃ =103 nm y Ly ₄ =70 nm, respectivamente. Según la ley de Snell generalizada, el ángulo de refracción anómala θ _t se puede obtener mediante la fórmula,

$$ {n} _ {\ mathrm {t}} \ sin {\ theta} _ {\ mathrm {t}} - {n} _ {\ mathrm {i}} \ sin {\ theta} _ {\ mathrm { i}} =\ frac {\ lambda_0} {2 \ pi} \ frac {d \ Phi} {dx} $$ (1)

donde n _t y n _i son el índice de refracción del medio transmitido e incidente, respectivamente, θ _i es el ángulo de incidencia, λ ₀ es la longitud de onda incidente en el vacío, dx y dϕ son la distancia y la diferencia de fase entre las unidades vecinas a lo largo de la x -dirección. En nuestro caso, el valor de dϕ es - π / 2 para y -incidencia polarizada, que se logra disminuyendo gradualmente las longitudes Ly de los nanobloques a lo largo de la x -dirección positiva, como la matriz A representada en la Fig. 2e. Para realizar la función de división de polarización, la diferencia de fase dϕ está configurado en π / 2 en x -incidencia polarizada. Aquí, las longitudes Lx de cuatro unidades a lo largo de la x -dirección positiva son 70 nm, 103 nm, 122 nm y 169 nm, respectivamente, mientras que los anchos w mantenga el mismo valor 70 nm, como la matriz B que se muestra en la Fig. 2e. Finalmente, las dos matrices anteriores se combinan en una matriz en forma de cruz para formar una metasuperficie de división del haz de polarización, y las matrices A y B exhiben los gradientes de fase para y - y x -luz incidente polarizada, respectivamente.

Diseño de la metasuperficie. un Transmisión y b respuesta de fase en función del ancho w y longitud Ly a una longitud de onda de 583 nm . c Una unidad de metasuperficie para y -incidencia polarizada. d Transmisión y respuesta de fase de los nanobloques periódicos con anchos de 70 nm en función de la longitud Ly . e El procedimiento de diseño de la meta-superficie propuesta del divisor de haz de polarización (vista vertical). Aquí, ordenamos las unidades de izquierda a derecha como unidad1, unidad 2, unidad 3 y unidad 4

Resultados y discusiones

El rendimiento óptico de la metasuperficie en forma de cruz que actúa como divisor de haz de polarización se simula mediante el método FDTD tridimensional. En nuestro caso, el valor de dx es de 200 nm, dϕ es π / 2, −π / 2 para x - y y -incidencia polarizada respectivamente. Según la Eq. (1), el haz transmitido anómalo se desvía en un ángulo de 46,78 ° bajo x -incidencia normal polarizada a una longitud de onda de 583 nm. La distribución del campo eléctrico transmitido bajo x -iluminación polarizada en el x-z plano se muestra en la Fig. 3a. El ángulo de difracción observado de 46,78 ° desde el perfil del frente de onda es coherente con el resultado teórico. El resultado simulado en la Fig. 3b muestra que la intensidad normalizada en el campo lejano bajo x -incidencia polarizada. La eficiencia total de transmisión es 69,7% y la eficiencia de deflexión es 63,7%, que se debe principalmente a la reflectividad de la interfaz (12,5%), la absorción de silicio (17,8%) y otros órdenes de difracción (6%). Aquí, la eficiencia de deflexión se define como la intensidad del haz desviado en el orden de difracción deseado (orden + 1, - 1 para x - y y -incidencia polarizada) normalizada a la intensidad total del incidente. Cuando el lineal y -La luz polarizada es normalmente incidente, el campo eléctrico y las distribuciones de intensidad de campo lejano normalizadas a la longitud de onda de 583 nm se dan en la Fig. 3c yd, respectivamente. El ángulo de desviación es de - 46,78 ° y la eficiencia de desviación correspondiente es del 66,4%, mientras que la eficiencia total de la transmisión es del 75,2%. La reflexión puede ser causada principalmente por el alto índice de refracción del silicio y la dispersión hacia atrás desde el borde, y la pérdida intrínseca de silicio en la región visible conduce a una alta absorción. Si no se consideran las pérdidas por absorción en nuestro caso, las eficiencias de transmisión totales pueden alcanzar aproximadamente el 90% para las dos incidencias anteriores, que son comparables a los valores de la Ref [30]. El ángulo desviado depende de muchos parámetros según la Eq. (1), por lo que se puede manipular para satisfacer nuestras necesidades ajustando los parámetros, como el período a lo largo de la dirección del gradiente de fase, la longitud de onda operativa y otros.

Las distribuciones del campo eléctrico cerca de la metasuperficie en x-z avión debajo de a x -polarizado y c y -incidencia polarizada. Distribuciones de intensidad de campo lejano normalizadas para b x -polarizado y d y -luz polarizada normalmente incidente. La longitud de onda operativa es de 583 nm y el ángulo transmitido se define como un valor positivo (negativo) en el lado derecho (izquierdo) de la normal

Una onda plana linealmente polarizada ( E ) siempre se puede descomponer en dos componentes ortogonales ( Ex y Ey ), que excitan simultáneamente dos campos de resonancia independientes en x - y y -direcciones. Por lo tanto, cuando una onda plana linealmente polarizada incide normalmente en la metasuperficie, se puede resolver en x- y y -polarizados, que pueden inducir gradientes de fase opuestos a lo largo de x -dirección. La Figura 4a muestra que el diagrama del mecanismo de trabajo del divisor de haz de polarización propuesto, el haz incidente se dividirá en x - y y -polarizados, los ángulos desviados correspondientes son θ _t y - θ _t , que están determinados por la longitud de onda operativa. Las intensidades de dos señales transmitidas están determinadas por el ángulo polarizado de la luz incidente. Cuando la polarización de la luz incidente forma un ángulo de 45 ° con la x -eje, el x - y y -Distribuciones de campo eléctrico transmitido polarizado extraídas del campo transmitido total como se muestra en la Fig. 4c, que también confirma la función de división de polarización de este dispositivo propuesto. La distribución normalizada de la intensidad del campo lejano para una longitud de onda operativa de 583 nm se representa en la figura 4b; la intensidad de dos haces de salida es el mismo valor 0,336. La intensidad de transmisión total I _fuera es 0,726, por lo que las eficiencias de la luz de salida total desviada en el orden de difracción + 1 ( x -polarización) y - 1 orden ( y -polarización) son ambos del 46,3%. Aquí, la intensidad del orden de difracción 0 representa el 7,4% de la transmisión total, que puede suprimirse optimizando aún más los parámetros geométricos o las formas. Además, x - y y -los haces de luz transmitida polarizados poseen intensidades casi iguales (∣ I _{x - pol .} - yo _{y - pol .} ∣ / Yo _{x - pol .} <2%) cuando el ángulo de polarización es de 45 ° dentro del rango de longitud de onda de 579 a 584 nm. En la Tabla 1 se dan los ángulos de desviación correspondientes y las intensidades de transmisión a diferentes longitudes de onda.

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

En el proceso de diseño anterior, idealmente asumimos que la respuesta de fase y transmisión en x ( y ) - La incidencia polarizada no se ve afectada por el período en y ( x )-dirección. Para demostrarlo, analizamos la influencia del período en el y ( x ) -dirección en la fase y transmisión cuando el x ( y ) -la luz polarizada incide sobre las metasuperficies uniformes construidas por las unidades 1, 2, 3 y 4 en la matriz B (A), respectivamente. Las figuras 5 ayb muestran que cuando el período Py en el y -dirección varía de 190 a 210 nm, los cambios de fase de cuatro tipos de metasuperficies son siempre menores que 0.05π y las transmisiones casi no tienen cambios bajo x -incidencia polarizada. El mismo fenómeno ocurre cuando el período Px en el x -la dirección varía de 190 a 210 nm en y -incidencia polarizada como se muestra en la Fig. 5c y d. Creemos que la respuesta de fase y la transmisión bajo x ( y ) - incidencia polarizada son casi independientes del período en y ( x ) -dirección en este caso. Por lo tanto, nuestro proceso de diseño es claro y el método es obviamente simple. En Ref [30], para introducir dos gradientes de fase de transmisión opuestos para el lineal x -polarización y y -polarización a lo largo de la x -La dirección, los parámetros geométricos de la unidad, el ancho y la longitud se seleccionan simultáneamente calculando la respuesta de fase cambiando con los dos parámetros debajo de x y y Incidencia linealmente polarizada. No hay reglas definidas para la selección del ancho y largo de las unidades.

La respuesta de fase y la transmisión como funciones del período en y ( x ) -dirección cuando x ( y ) -la luz polarizada incide sobre las metasuperficies uniformes construidas por las unidades 1, 2, 3 y 4 de la matriz B (A), respectivamente. un respuesta de fase y b transmisión como las funciones de Py . c respuesta de fase y d transmisión como funciones de Px

Conclusiones

En resumen, diseñamos un divisor de haz de polarización basado en la metasuperficie totalmente dieléctrica en la región visible. La metasuperficie se compone de matrices de nanobloques de silicio en forma de cruz colocadas sobre un sustrato dieléctrico de sílice. Cuando la luz incidente está polarizada en un ángulo de 45 ° con respecto a x -dirección, intensidades idénticas de la x - y y -Las señales de salida polarizadas son 0,336 a la longitud de onda operativa de 583 nm, lo que representa el 46,3% de la intensidad de transmisión total. Además, el dispositivo propuesto exhibe un rendimiento de división del haz de polarización de igual potencia para una incidencia de polarización de 45 ° dentro de la región de longitud de onda de 579 a 584 nm. Esperamos que el divisor de haz de polarización se pueda aplicar más en los futuros dispositivos integrados totalmente ópticos.

Abreviaturas

dx :

Distancia entre unidades vecinas a lo largo de la x -dirección

dϕ :

Diferencia de fase entre unidades vecinas a lo largo de la x -dirección

FDTD:

Dominio del tiempo de diferencia finita

I _fuera :

Intensidad de transmisión total

I _{x-pol .} :

Intensidad de x -haz transmitido polarizado

I _y-pol. :

Intensidad de y -haz transmitido polarizado

MMI:

Interferencia multimodo

n _i :

Índice de refracción del medio incidente

n _t :

Índice de refracción del medio transmitido

Si ₃ N ₄ :

Nitruro de silicio

SiO ₂ :

Sílice

TiO ₂ :

Dióxido de titanio

θ _i :

Ángulo de incidencia

θ _t :

Ángulo de refracción anómala

λ ₀ :

Longitud de onda incidente en el vacío

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