Metasurfaces Dielektrik Orde Tinggi untuk Pemisah Balok Polarisasi Efisiensi Tinggi dan Generator Vortex Optik

Hasil dan diskusi

Mendesain Pemisah Sinar Polarisasi

Kontrol polarisasi on-chip merupakan masalah penting untuk sirkuit terpadu fotonik. Pembagi berkas polarisasi adalah salah satu perangkat optik penting yang digunakan untuk mengontrol polarisasi pada sebuah chip, yang dapat digunakan untuk memisahkan cahaya input menjadi dua komponen polarisasi ortogonal [33, 34]. Berdasarkan hasil simulasi di atas, beam splitter dengan birefringence yang dapat dikendalikan berdasarkan metasurface dielektrik yang diusulkan dapat direalisasikan, yang menunjukkan bahwa dua fase cahaya refraksi XLP yang berbeda (φ _x ) dan cahaya refraksi YLP (φ _y ) dapat diperoleh secara bersamaan dengan memilih diameter nanobrick secara tepat a dan b , masing-masing. Jadi, kami di sini mendesain metasurfaces dan menggunakan properti baru ini untuk mewujudkan pemecah berkas polarisasi untuk membedakan dua polarisasi ortogonal dari cahaya input ke dua arah dengan efisiensi yang sangat ditransmisikan hingga 88%. Selain itu, metasurface yang dirancang dapat bekerja tidak hanya dalam mode difraksi orde pertama tetapi juga pada mode difraksi tingkat tinggi.

Kami merancang pemecah berkas polarisasi dengan 13 batu bata nano dielektrik dengan tiga permutasi berbeda untuk menghasilkan mode difraksi orde berbeda dengan efisiensi tinggi. Dalam desain metasurface 1 (M ₁ ), kami membedakan rentang fase dari 0 hingga 2π dan dari 2π untuk 0 menjadi 13 nanobricks dengan langkah yang sama dari 2π /13 dan 2π /13 untuk cahaya terpolarisasi X dan Y, masing-masing. Dimensi lateral dari 13 nanobricks silikon yang dipilih diberi nomor dalam urutan menaik, seperti yang ditunjukkan pada baris pertama Gambar 2a. Rupanya, rentang kendali fase dapat diperluas ke mode difraksi tingkat tinggi dengan memilih sel satuan secara tepat di M ₁ dan mengatur ulang mereka. Misalnya, jika kita memperluas mode difraksi ke orde ke-N, rentang fase harus mencakup dari 0 hingga N × 2π dan dari N × 2π ke 0 dengan perbedaan fase N × 2π /13 dan T × 2π /13 antara dua nanobricks tetangga untuk X- dan Y-terpolarisasi cahaya, masing-masing. Oleh karena itu, baris kedua dari Gambar 2a menyajikan sel super yang disusun ulang untuk mode difraksi orde ketiga (M ₃ ), yang rentang kendali fasenya dari 0 hingga 3 × 2π dan dari 3 × 2π ke 0 dengan beda fase 3 × 2π /13 dan 3 × 2π /13 antara dua nanobricks tetangga untuk X- dan Y-terpolarisasi cahaya, masing-masing. Selain itu, permukaan meta (M ₅ ) untuk mode difraksi urutan kelima juga dibangun oleh satu set 13 nanobricks dielektrik, yang juga disusun ulang untuk mencakup seluruh rentang kontrol fase dari 0 hingga 5 × 2π dan dari 5 × 2π ke 0 dengan beda fase 5 × 2π /13 dan 5 × 2π /13 antara dua nanobricks tetangga untuk X- dan Y-terpolarisasi cahaya, masing-masing, seperti yang disajikan pada baris ketiga Gambar. 2a. Untuk menunjukkan ide dengan jelas, fase transmisi dari 13 antena dalam tiga permutasi beton di bawah cahaya XLP dan YLP diplot pada Gambar. 2b.

Desain metasurfaces dielektrik dengan tiga mode difraksi urutan yang berbeda. a Skema dimensi lateral dari 13 nanobricks yang dirancang. baris pertama A ₁ :supercell dengan fase transmisi mulai dari 0 hingga 2π . Baris kedua M ₃ :sel super yang disusun ulang dengan fase mulai dari 0 hingga 3 × 2π . Baris ketiga M ₅ :sel super yang disusun ulang dengan fase mulai dari 0 hingga 5 × 2π . b Fase transmisi simulasi dari 13 nanobricks yang dirancang dari tiga mode berbeda di bawah XLP (garis hitam ) dan YLP (garis biru ) insiden, masing-masing. c a (garis hitam pekat ) dan b (garis putus-putus hitam ) dari 13 nanobricks yang digunakan dalam desain metasurfaces M ₁ . Garis biru mewakili efisiensi yang ditransmisikan dari 13 nanobricks di M ₁ di bawah XLP (garis padat ) dan YLP (garis putus-putus ) insiden, masing-masing

Selain itu, transmisi 13 nanobricks yang dirancang di bawah cahaya XLP dan YLP telah disimulasikan dan sesuai dengan prediksi teoretis. Gambar 2c menunjukkan dimensi geometris batu bata nano silikon dan efisiensi yang ditransmisikan dari 13 batu bata nano di metasurface M ₁ di bawah sinar XLP dan YLP. Transmisi ko-polarisasi dari sebagian besar nanobricks dielektrik sebanding dan tetap lebih dari 88% meskipun ada dua transmisi nanobricks yang mempertahankan hampir 80%. Hasil simulasi ini memverifikasi bahwa metasurface yang kami rancang dapat diterapkan untuk membuat banyak perangkat optik dengan efisiensi tinggi.

Simulasi numerik dari pemecah berkas polarisasi dilakukan dengan menerangi permukaan meta yang dirancang M ₁ pada kejadian normal dengan sudut terpolarisasi 45 ^° . Cahaya XLP dan YLP beton dapat diekstraksi dari seluruh bidang yang ditransmisikan, seperti yang diplot pada Gambar. 3a. Jelas bahwa terdapat muka gelombang yang terdefinisi dengan baik dan efisiensi transmisi terpolarisasi bersama dari M ₁ diplot sebagai fungsi dari sudut yang ditransmisikan pada Gambar. 3b. Sudut transmisi kopolarisasi puncak adalah 10.2 ^° dan 10.2 ^° masing-masing untuk lampu XLP dan YLP yang ditransmisikan. Efisiensi orde pertama adalah T _xx = 85,9% dan T _yy = 88,4% untuk masing-masing lampu XLP dan YLP yang ditransmisikan, di mana T _xx adalah koefisien transmisi simulasi cahaya XLP dengan kejadian XLP dan T _yy adalah koefisien transmisi simulasi cahaya YLP dengan kejadian YLP. Dibandingkan dengan efisiensi yang ditransmisikan dari susunan nanobrick homogen spasial, efisiensi konversi sedikit berkurang karena kopling antara resonator dengan dimensi yang berbeda [35]. Berdasarkan hukum Snell umum, sudut difraksi cahaya datang pada metasurface gradien dapat dihitung dengan θ _t = sin ⁻¹ [(λ ₀ /n _t L ) + n _i dosa(θ _i )/n _t ], di mana n _t dan n _i adalah indeks bias media di sisi transmisi dan insiden antarmuka, masing-masing, θ _i adalah sudut datang, λ ₀ adalah panjang gelombang cahaya dalam ruang hampa, dan L adalah panjang supercell [36]. Jadi, hasil teoritis sudut difraksi orde satu adalah ±10,22 ^° . Simulasi numerik dan teori sangat cocok satu sama lain. Artinya, perangkat yang dirancang dapat berfungsi sebagai pemecah sinar polarisasi dengan perawatan berurutan yang tepat. Selanjutnya, muka gelombang datang hampir tidak terpengaruh oleh pantulan cahaya dari metasurface, yang memverifikasi bahwa semua cahaya datang dapat ditransmisikan dari metasurface dengan efisiensi yang sangat tinggi.

a Distribusi medan listrik (E ) dari XLP yang ditransmisikan yang diekstraksi (kiri ) dan YLP (kanan ) menyala, ketika cahaya insiden normal dengan 45 ^° polarisasi linier pada panjang gelombang 1500 nm yang ditransmisikan melalui permukaan meta yang dirancang. b Efisiensi transmisi terpolarisasi bersama dari metasurface yang dirancang sebagai fungsi sudut yang ditransmisikan di bawah iluminasi masing-masing lampu terpolarisasi X dan terpolarisasi Y

Sebagai perbandingan, Gambar 4 menunjukkan XLP beton dan distribusi medan listrik yang ditransmisikan YLP dari dua metasurfaces dielektrik yang disusun ulang yang terbuat dari supercell yang dirancang baru (M ₃ dan S ₅ ) di bawah 45 ^° cahaya insiden terpolarisasi linier. Karena rentang fase yang ditransmisikan dari dua sel super telah diubah, sudut difraksi M ₃ dan S ₅ secara teoritis dihitung menjadi ±32,18 ^° dan ±62,56 ^° , masing-masing. Pada Gambar 4a, b, terdapat dua fasa fasa yang terdefinisi dengan baik dengan sudut difraksi orde ketiga −32 ^° dan 32 ^° masing-masing untuk lampu XLP dan YLP yang ditransmisikan. Pada Gambar 4c, d, sudut difraksi orde kelima adalah 63 ^° dan 63 ^° masing-masing untuk lampu XLP dan YLP yang ditransmisikan. Lebih lanjut, efisiensi transmisi terpolarisasi bersama yang disimulasikan dari metasurface yang dirancang terdiri dari supercell yang disusun ulang M ₃ dan S ₅ juga telah diilustrasikan pada Gambar. 5a, b, masing-masing. Sudut pancaran puncak sangat cocok dengan sudut difraksi teoretis yang dihitung dengan hukum Snell yang digeneralisasi, dan efisiensi difraksi terpolarisasi bersama orde ketiga adalah 82 dan 84% untuk lampu XLP dan YLP yang ditransmisikan. Namun, efisiensi difraksi terpolarisasi dari urutan kelima hanya 73,5 dan 78,4% untuk lampu XLP dan YLP yang ditransmisikan, yang pada dasarnya disebabkan oleh kopling EM yang tidak diinginkan antara nanobricks tetangga dengan geometri yang berbeda. Oleh karena itu, metasurfaces yang dirancang dapat bekerja dengan baik dalam mode difraksi tingkat tinggi hanya dengan memodifikasi susunan 13 nanobricks dielektrik. Lebih penting lagi, ditunjukkan bahwa mode difraksi dapat disesuaikan dengan mengontrol perbedaan fase antara nanobricks dielektrik yang berdekatan dalam supercell.

Distribusi medan listrik dari XLP yang ditransmisikan yang diekstraksi (kiri ) dan YLP (kanan ) di bawah insiden normal 45 ^° cahaya polarisasi linier ke permukaan meta M ₃ (a , b ) dan S ₅ (c , d ), masing-masing

Efisiensi transmisi terpolarisasi bersama dari metasurfaces yang dirancang terdiri dari supercell yang disusun ulang a A ₃ dan b A ₅ sebagai fungsi dari sudut yang ditransmisikan di bawah iluminasi cahaya terpolarisasi X dan terpolarisasi Y, masing-masing

Merancang Generator Vortex Optik

Sinar pusaran optik memiliki muka gelombang heliks dan membawa momentum sudut orbital lℏ [37, 38], yang membuatnya menunjukkan janji besar dalam litografi resolusi tinggi [39, 40], perangkap optik [41, 42], komunikasi optik [43, 44], dan seterusnya. Di sini, muatan topologi l adalah jumlah lilitan muka gelombang dan ℏ adalah konstanta Planck tereduksi. Balok pusaran dengan muatan topologi 1 dapat dihasilkan oleh metasurfaces dengan profil fase spiral mulai dari 0 hingga 2π dengan kenaikan fase identik sepanjang arah azimut. Oleh karena itu, untuk lebih mendemonstrasikan kemampuan metasurface yang dirancang untuk memanipulasi fase transmisi dan mode difraksi, kami merancang generator vortex yang dapat mengubah berkas Gaussian homogen yang datang menjadi berkas vortex. Untuk mencapai tujuan ini, kami menyusun 13 nanobricks dielektrik M ₁ ke dalam 13 sektor untuk memperkenalkan peningkatan fase gradien 2π /13melintasi arah azimut. Profil intensitas yang ditransmisikan di bawah insiden XLP di z = 10 μm ditunjukkan pada Gambar. 6a dan memiliki intensitas karakteristik minimum di pusat yang sesuai dengan singularitas fase. Pola fase spasial dengan lompatan fase mendadak yang jelas dari π untuk π dalam 2π kisaran azimut ditunjukkan pada Gambar. 6d, yang menunjukkan bahwa muatan topologi perangkat optik pada Gambar. 6d adalah 1.

a –c Distribusi intensitas yang ditransmisikan dan d –f muka gelombang fase dari balok pusaran yang dihasilkan di z = 10μm dengan muatan topologi l = 1 , 2 , 3 berdasarkan metasurfaces M ₁ , M ₂ , dan S ₃ di bawah insiden terpolarisasi X, masing-masing

Selain itu, kami merancang dua generator vortex lainnya untuk menghasilkan vortex beams dengan mengubah susunan nanobricks di M ₁ . Kedua generator balok vortex ini memiliki muatan topologi masing-masing 2 dan 3. Profil intensitas yang ditransmisikan di bawah kejadian XLP ditunjukkan pada Gambar. 6b, c, masing-masing. Pendekatan desain beton memodulasi perbedaan fase nanobricks menjadi 4π /13 dan 6π /13antara dua nanobricks dielektrik yang berdekatan, yang didefinisikan sebagai M ₂ dan S ₃ . Oleh karena itu, profil fase spasial sesaat pada Gambar. 6e, f memiliki dua dan tiga lompatan fase mendadak yang jelas dari π untuk π , masing-masing. Mengalihkan polarisasi insiden dari XLP ke YLP tidak mengubah pola intensitas keluaran, tetapi arah putaran muka gelombang heliks akan terbalik karena perbedaan fase yang semakin berkurang antara nanobricks yang berdekatan. Selanjutnya, perlu dicatat bahwa profil fase orde tinggi juga dapat dihasilkan oleh metasurface dielektrik yang kami rancang.