Konverter Polarisasi dengan Birefringence Terkendali Berdasarkan Metasurface All-Dielectric-Graphene Hibrida
Abstrak
Studi sebelumnya tentang metasurfaces dielektrik-graphene hibrida telah digunakan untuk mengimplementasikan perangkat transparansi yang diinduksi, sambil menunjukkan faktor-Q tinggi berdasarkan resonansi magnetik yang terperangkap. Biasanya, jendela transparansi adalah panjang gelombang tunggal dan kurang sesuai untuk struktur konversi polarisasi. Dalam karya ini, pelat seperempat gelombang berdasarkan metasurface silikon-grafena hibrida dengan birefringence yang dapat dikontrol dirancang secara numerik. Fenomena resonansi mode magnetik yang terperangkap dan faktor-Q tinggi dimodulasi dengan memasukkan graphene antara silikon dan silika. Ini menghasilkan panjang gelombang transmisi yang lebih luas dibandingkan dengan struktur semua-dielektrik tanpa graphene. Tunabilitas birefringence didasarkan pada dimensi silikon dan energi Fermi dari graphene. Akibatnya, konversi polarisasi linier-ke-sirkular dicapai pada tingkat tinggi 96%, dalam inframerah-dekat. Selain itu, keadaan polarisasi cahaya yang tersebar dapat dialihkan antara polarisasi melingkar kanan dan kiri, berdasarkan tegangan bias gerbang eksternal. Tidak seperti di metasurfaces plasmonic, pencapaian ini menunjukkan struktur efisien yang bebas dari kerugian radiasi dan ohmik. Selain itu, ketebalan ultra tipis dan kekompakan struktur ditunjukkan sebagai komponen kunci dalam mewujudkan sensor fotonik yang dapat diintegrasikan dan kompatibel dengan CMOS.
Latar Belakang
Penelitian di nanophotonics sedang bergeser ke arah elemen semua-dielektrik, khususnya dalam merancang metasurfaces manipulasi cahaya yang dapat disetel dan layak secara eksperimental [1, 2]. Tujuan utamanya adalah untuk mengintegrasikan metasurfaces tersebut ke dalam perangkat penginderaan nanophotonic. Pergeseran fokus ke metasurfaces dielektrik disebabkan oleh kerugian radiasi dan ohmik rendah yang ditunjukkan dalam silikon dan bahan dielektrik lainnya dibandingkan dengan metasurfaces plasmonic. Akibatnya, struktur plasmonik khusus menggunakan resonansi mode terperangkap Q tinggi sebelumnya telah diusulkan untuk meningkatkan efisiensi transmisi [2-5]. Pengurangan kerugian dicapai baik melalui interferensi antara mode listrik dan magnetik diskrit atau melalui pemutusan simetri dalam elemen logam. Kopling lemah di ruang bebas dikembangkan yang meningkatkan pengurangan kerugian [1, 6]. Bahan yang menunjukkan resonansi magnetik seperti titania (TiO2 ), silikon nitrida, dan germanium menunjukkan sifat optik yang baik di berbagai wilayah spektrum elektromagnetik karena kerugian yang rendah [7-9]. Secara khusus, mereka memiliki dispersi terlihat rendah dan sifat elektro-optik yang kuat yang memungkinkan mereka untuk digunakan dalam desain elemen optik metasurface kontras rendah.
Baru-baru ini, metasurfaces resonansi Fano berbasis graphene telah berhasil diusulkan untuk perangkat manipulasi cahaya seperti modulator [10-13], peredam [14, 15], perangkat cahaya lambat [16, 17], dan jubah [16, 18], serta orang lain. Dalam perangkat ini, kerugian radiasi dikurangi sebagai akibat dari interaksi yang kuat antara graphene monolayer dan medan listrik terbatas di celah resonansi. Graphene menawarkan sifat luar biasa termasuk konduktivitas optik yang dapat disetel dan mobilitas pembawa yang tinggi. Ini memungkinkannya untuk mendukung struktur resonansi Q tinggi dengan kerugian radiasi yang ditekan [19, 20]. Di sisi lain, metasurfaces logam memanfaatkan elemen subwavelength untuk meningkatkan kurungan medan listrik dan membuat perubahan mendadak dalam fase, amplitudo, dan polarisasi cahaya yang menimpa.
Split ring resonator (SRR) adalah elemen metasurface plasmonic yang umum karena sifat resonansi induktansi-kapasitansinya yang memungkinkan fleksibilitasnya dalam menyetel sifat optik. Demikian pula, metasurface dielektrik lainnya juga menggunakan SRR sebagai unit metasurface dasar karena kapasitasnya untuk tunabilitas dan fabrikasi [21, 22]. Bentuk elemen lain seperti "Z-slots" pada film silikon juga telah dirancang sebagai pembagi polarisasi [23]. Namun, metasurfaces logam memiliki kerugian ohmik tinggi dan transmitansi rendah yang menurunkan efisiensi manipulasi cahaya [24, 25].
Semua-dielektrik meta-perangkat dan konverter polarisasi kisi gradien, diusulkan oleh Chen et al. dan Kruk et al., telah menunjukkan efisiensi yang luar biasa 99% [26, 27]. Struktur menunjukkan rasio birefringence tinggi, 0,35 dan 0,9, masing-masing di wilayah terahertz dan inframerah-dekat. Namun, mekanisme tunabilitas birefringence tidak diusulkan. Dalam karya ini, tunabilitas birefringence dan switching ditunjukkan melalui bias tegangan gerbang, sedangkan fleksibilitas struktur ditunjukkan melalui variasi dimensi. Biasanya, permukaan meta yang dibangun dari antena indeks bias tinggi dibatasi oleh adanya refleksi belakang parsial karena ketidakcocokan impedansi. Sebuah metode untuk mengatasi tantangan ini adalah untuk merancang metasurfaces silikon dengan resonansi tipe Mie listrik dan magnetik lokal yang kuat sehingga transmisi kesatuan yang dekat dapat direalisasikan [28-30]. Metasurfaces kontras tinggi, di sisi lain, memiliki efisiensi yang lebih tinggi tetapi resolusi spasial yang lebih rendah untuk mewujudkan fase yang tepat atau profil polarisasi sepanjang garis kisi [31, 32].
Dalam karya ini, metasurface semua-dielektrik dengan faktor-Q tinggi berdasarkan mode magnetik terperangkap ditampilkan. Sel unit yang diusulkan terdiri dari dipol berbentuk silang, asimetris, persegi panjang yang terbuat dari substrat silikon, graphene, dan silika. Lapisan graphene diapit di antara silikon dan silika. Kontrol polarisasi cahaya dicapai melalui sifat intrinsik graphene dan dimensi silikon, sambil menunjukkan karakteristik pelat seperempat gelombang. Oleh karena itu, insiden cahaya terpolarisasi linier diubah menjadi cahaya terpolarisasi sirkular pada rasio konversi polarisasi tinggi (PCR) di dekat-inframerah (> 95% ). Selain itu, keadaan polarisasi melingkar dari cahaya yang tersebar dapat dialihkan antara polarisasi melingkar tangan kanan (RCP), dan keadaan polarisasi melingkar tangan kiri (LCP), melalui bias tegangan gerbang eksternal. Kontrol polarisasi dinamis ini meningkatkan derajat kebebasan struktur dan dapat berdampak besar pada perangkat fotonik CMOS. Metode elemen hingga, menggunakan COMSOL Multiphysics, telah digunakan untuk memodelkan sel satuan dan menganalisis kinerja metasurface.
Metode
Presentasi skema sel unit struktur ditunjukkan pada Gambar. 1a. Ini terdiri dari antena berbentuk salib silikon di atas lapisan graphene dan substrat silika. Permitivitas relatif silikon dan silika masing-masing adalah 12,25 dan 2,25 [33]. Semua dimensi ditunjukkan pada keterangan Gambar 1a. Pertama, untuk mendapatkan resonansi yang dapat diterima, periodisitas Px =600 nm telah diperbaiki dan Py menyapu beberapa nilai. Dimensi internal L1 =440 nm dan L2 =370 nm juga tetap diperbaiki tetapi kemudian dioptimalkan untuk penyetelan fase. Tinggi h =110 nm dan lebar L =60 nm dipertahankan tetap selama simulasi. Cahaya yang biasanya datang dari sumber port, batas periodik, dan lapisan yang sangat cocok di ujung keluar digunakan.
Ilustrasi skema. a. Dimensi sel satuan:L1 =450 nm, L2 =370 nm, h =110 nm, L =60 nm, Px =600 nm, dan Py =560nm b. Insiden cahaya terpolarisasi linier pada sudut polarisasi, α , diubah menjadi cahaya terpolarisasi sirkular melalui struktur
Sifat transmisi cahaya didefinisikan berdasarkan medan listrik yang tersebar Ei (i =x ,y ), yaitu, \(T_{xx} =\left |\frac {E_{x}}{E_{0}}\kanan |\), \(T_{yy} =\left |\frac {E_{y }}{E_{0}}\kanan |\), Φxx =arg(Ex ), dan Φyy =arg(Ey ), di mana Tii (i =x ,y ) adalah koefisien transmisi dan Φii (i =x ,y ) adalah komponen fasa. Kami kemudian mendefinisikan penundaan fase sebagai \(\Delta \Phi =\text {arg}\left (\frac {E_{x}}{E_{y}}\right) =\Phi _{xx}-\Phi _ {yy}\) dan menghitungnya dari jarak z =1.2 μ m dari permukaan. Sebuah metasurface birefringent memanipulasi keadaan polarisasi cahaya datang dengan memperkenalkan penundaan fase pada salah satu komponen di bidang transmisi. Dengan prinsip Huygens, struktur menciptakan diskontinuitas fase dan penundaan fase antara Φxx dan Φyy dari cahaya yang ditransmisikan \(E =E_{x}e^{i\Phi _{xx}}\hat {x}+E_{y}e^{i\Phi _{yy}}\hat {y}\ ). Jika penundaan fase yang diperkenalkan adalah 90 ° atau -90 °, lampu LCP atau RCP dihasilkan, masing-masing, mengkonfirmasi operasi QWP seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1b. Secara umum, gelombang yang ditransmisikan melalui metasurface terpolarisasi elips:
Biasanya, sifat optik graphene ditampilkan melalui konduktivitasnya, σ , dicirikan oleh transisi interband dan intraband:σ =σAku +σD , di mana σAku dan σD adalah konduktivitas interband dan intraband, masing-masing. Perubahan kerapatan muatan permukaan, ns , dalam graphene memvariasikan populasi elektron dalam graphene dan energi Fermi, yaitu, \(E_{F} =\hbar \nu _{F}(\pi n_{s})^{1/2}\), di mana ν F =10
6
m/s adalah kecepatan Fermi elektron. Kami memodelkan graphene sebagai monolayer massal sel mesh dengan ketebalan, δ =1nm, dan dimensi dalam bidang, 1 nm × 1nm. Permitivitas dalam bidang dihitung dalam perkiraan fase acak pada suhu kamar:\(\epsilon _{g}(\omega) =1+\frac {i\sigma }{\omega \epsilon _{0} \delta } =\epsilon '+i\epsilon ''\), di mana ε
′
dan ε
″
adalah bagian nyata dan imajiner dari permitivitas, masing-masing, didefinisikan sebagai fungsi dari energi foton yang datang \(E =\hbar \omega \) dan EF :
dimana Γ =110 meV adalah energi yang mengarah ke pelebaran transisi interband pada inframerah-dekat dan τ adalah laju hamburan pembawa bebas. Parameter \(\frac {1}{\tau }\) diasumsikan nol karena dominasi transisi antarband atas transisi intraband pada inframerah dekat [1].
Hasil dan Diskusi
Kontrol Birefringence Melalui Energi Fermi dan Dimensi Struktur
Pertama, metasurface semua-dielektrik tanpa lapisan graphene disimulasikan dan memperoleh spektrum transmisi yang ditunjukkan pada Gambar. 2a. Struktur diterangi oleh insiden cahaya terpolarisasi linier (LP), pada sudut polarisasi, α , seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1b. Hasil transmitansi pada Gambar 2a menunjukkan resonansi sempit dengan faktor Q tinggi. Ini dikaitkan dengan eksitasi mode magnetik yang terperangkap. Ada medan listrik di dalam bidang yang kuat pada panjang gelombang resonansi λ =1,49 μ m di sepanjang tepi antena (Gbr. 2b). Medan listrik di dalam pesawat bersifat antiparalel dan menyebabkan efek interferensi destruktif antara respons dipol listrik dan magnet. Komponen cahaya LP yang datang pada sudut polarisasi, α =48°, menyebabkan kopel yang lemah antara mode elektromagnetik yang terperangkap dan cahaya ruang bebas. Selain itu, penetrasi medan yang kuat ke dalam dipol silikon menghasilkan pergeseran fasa yang tajam dan peningkatan kopling antara gelombang bidang datang dan arus perpindahan yang bersirkulasi. Resonansi magnetik yang kuat dan perubahan fasa yang tiba-tiba terjadi pada panjang gelombang resonansi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, b. Mode dipol magnet dipengaruhi oleh arus perpindahan melingkar lebih dari mode listrik, yang terutama disebabkan oleh kopling antara dipol antena tetangga. Selain itu, Kirshav et al. menunjukkan bahwa resonansi magnetik dipengaruhi oleh dimensi dan bentuk struktur [34]. Misalnya, dalam struktur kita, dimensi lateral dan panjang gelombang cahaya datang dapat dihubungkan melalui \(L_{i}(i~=~1,2)\approx \frac {\lambda }{n_{\text { si}}}\), di mana Li 440 nm dan nsi =3.5.
a Transmisi dan refleksi untuk struktur dielektrik tanpa graphene. b , c . Medan listrik dalam pesawat Ex (b) dan Ev (c), dihitung pada panjang gelombang resonansi λ =1,49 μ m
a Komponen fase dan retardasi metasurface semua-dielektrik tanpa graphene. Transmisi diplot sebagai fungsi panjang gelombang untuk L1 =440 nm, L2 =370 nm, dan L =60 nm, untuk b struktur tanpa graphene dan dengan graphene (EF =0,8 eV), c memvariasikan energi Fermi, dan d bervariasi L2 350-450nm. Pelanggaran simetri di L2 =410 nm membagi dua mode dominan:magnetik dan listrik
Ketika lapisan graphene dimasukkan antara substrat dan nanoantenna, arus perpindahan yang beredar di dalam antena silikon berkurang dan medan listrik permukaan ditingkatkan. Ini sesuai dengan kondisi di mana polarisasi medan listrik yang datang adalah anti-paralel pada batas berlawanan dari antena nano yang menimbulkan kopling lemah dengan arus perpindahan yang bersirkulasi di dalam elemen. Graphene memperkenalkan konduksi yang ditingkatkan di permukaan antara silikon dan substrat silika. Kopling yang lebih kuat dengan medan listrik dalam bidang terjadi dibandingkan dengan kopling dengan arus perpindahan di dalam elemen. Karena efek ini, medan listrik anti-paralel, yang sebaliknya akan menyebabkan interferensi destruktif pada permukaan, berkurang, dan faktor-Q turun secara signifikan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3b. Panjang gelombang resonansi juga sedikit bergeser dari λ =1,49 μ m ke λ =1,5 μ m karena berkurangnya penetrasi ke dalam silikon. Pada Gambar. 3c, efek memvariasikan energi Fermi graphene ditampilkan. Untuk graphene yang tidak didoping (EF =0 eV), ada resonansi kuat di λ =1,5 μ m yang berkurang dengan meningkatnya tingkat doping. Transisi interband mendominasi ketika tingkat Fermi rendah dan graphene menunjukkan karakteristik dielektrik dengan ε yang lebih besar
′
. Namun, ketika EF meningkat, beberapa saluran transisi antarband diblokir; transisi intraband kemudian menyebabkan respon induktif graphene dan menurunkan penyerapannya [1, 20]. Perlu dicatat bahwa dengan lapisan bawah graphene dan dimensi yang tepat dari struktur silikon, mode dipol magnet dan listrik dapat ditingkatkan kekuatannya, yang mengarah ke efisiensi hamburan yang tinggi [34]. Antena silikon menunjukkan resonansi gabungan dari dua panjang gelombang dekat di sekitar resonansi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d. Di λ =1,48 μ m, antena menunjukkan kopling dipol magnet yang diinduksi, sedangkan di λ =1,52 μ m, kopling berada di antara mode listrik. Kedua mode terjadi ketika simetri antena berubah dari x untuk y orientasi di L2 410nm. Dimensi L2 tersapu melalui kisaran nilai antara 350 dan 480 nm sambil menjaga L1 tetap pada 440 nm.
Efek graphene bermanfaat untuk menyetel komponen fase dan perlambatan fase medan listrik yang ditransmisikan. Pertama, komponen cahaya LP datang didekomposisi menjadi lengan ortogonal antena silikon. Setiap resonansi dipol mencetak pola fase yang berbeda pada cahaya yang tersebar. Khususnya, di dekat resonansi, setiap resonansi dipol menggeser fase medan listrik yang datang dalam rentang [− π ,π ]. Dengan dimensi antena yang tepat, perbedaan fasa 90° diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4a. Koefisien transmisi yang sesuai ditunjukkan pada Gambar. 4b. Terlihat bahwa titik persimpangan Txx =Tyy terjadi di dekat resonansi, mendefinisikan kondisi QWP yang ideal. Selain itu, dengan menyapu nilai yang berbeda dari panjang L2 sambil menjaga L1 diperbaiki (L1 =440 nm), amplitudo resonansi yang terkait dengan mode listrik dan magnet yang berbeda dapat bervariasi. Rentang bandwidth fase yang dapat diterima dalam ± 10° diperoleh saat L2 =365 nm untuk RCP, dan L2 =450 nm untuk LCP, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c. Kedua, pada Gambar 4d, dengan memvariasikan energi Fermi dari graphene, bandwidth fase berubah sesuai. Di λ =1,48 μ m, graphene yang tidak didoping (EF =0 eV ) menyebabkan penetrasi medan listrik yang tinggi ke dipol silikon dan perbedaan fasa yang besar antara x dan y komponen cahaya yang tersebar (≈150 °) terjadi. Namun, sebagai EF mendekati 0,8 eV , properti dalam pesawat (εx =εy ) meningkatkan konduktivitas permukaan graphene, sehingga mengurangi penetrasi ke dalam silikon dan ΔΦ 90° di λ =1,49 μ m.
a Komponen fase dan retardasi metasurface all-dielectric/graphene dan b koefisien transmisi yang sesuai Txx dan Tyy . Retardasi fase diplot sebagai fungsi panjang gelombang untuk L1 =440 nm, L2 =370 nm, dan L =60 nm, untuk c memvariasikan energi Fermi dan d bervariasi L2 dari 350 hingga 450 nm
Parameter Stokes yang dihitung dan dimensi elips polarisasi untuk struktur hibrida dengan L1 =450 nm, L2 =370 nm, dan L =60 nm ditunjukkan pada Gambar. 5a, b. Perlu dicatat bahwa jauh dari panjang gelombang resonansi, polarisasi cahaya yang ditransmisikan tetap tidak berubah dari cahaya datang. Namun, di dekat resonansi, keadaan polarisasi berubah menjadi lingkaran untuk cahaya LP yang datang. Di λ =1,5 μ m, rasio parameter Stokes |S3 /S0 |≈ ± 1, di mana nilai + 1 menunjukkan RCP sempurna dan 1 menunjukkan output LCP sempurna. Di sini, S0 =|Ex |
2
+|Ey |
2
dan S3 =2ExEy dosaΔΦ adalah parameter Stokes. Tingkat intensitas transmisi ditentukan oleh S0 , yaitu, nilai> 50% bisa diterima. Gambar 5c menunjukkan efisiensi PCR yang dihitung dari koefisien transmisi:
a Variasi parameter stokes terhadap panjang gelombang untuk sudut datang polarisasi α =48°. b . Rasio parameter stokes (S3 /S0 ) variasi sebagai fungsi dari L2 di α dinyatakan dalam a , c rasio konversi polarisasi dihitung untuk insiden cahaya terpolarisasi linier. d . Rasio amplitudo dan perbedaan fase pada panjang gelombang λ =1,5 μ m sebagai fungsi sudut polarisasi
dimana Tyx dan Txx adalah istilah lintas dan ko-polarisasi, masing-masing. Dalam rentang panjang gelombang λ =1,48 μ m dan λ =1,51 μ m, efisiensinya adalah 96% untuk RCP dan 90% untuk keluaran LCP. Namun, di λ =1,52 μ m, efisiensinya sedikit turun menjadi 80% untuk LCP. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5d, struktur tidak sensitif terhadap sudut polarisasi dari cahaya LP yang datang. Rasio amplitudo yang dapat diterima Ex /Ey 1 dan pergeseran fase ΔΦ 90 ° diperoleh dalam rentang yang luas. Ketika α =48°, diperoleh kondisi QWP yang akurat
Selain itu, profil fase transmisi yang menentukan bentuk birefringence dihitung sebagai fungsi dari periodisitas Pi (i =x ,y ) pada panjang gelombang λ =1,49 μ M. Pada Gambar 6a, keterbelakangan fase yang dapat diatur dari struktur dapat diperoleh sepanjang diagonal di mana dua periodisitas menunjukkan hubungan terbalik. Perlu juga dicatat bahwa keterbelakangan fase (ΔΦ 90°) terjadi di wilayah di mana transmitansi di atas 80%, seperti yang ditunjukkan Gambar 6b. Silikon dan silika memiliki dispersi yang rendah dan indeks bias yang relatif tinggi, sehingga mendukung penyerapan yang rendah pada panjang gelombang yang lebih pendek [8]. Demikian pula, keluaran fase dapat dikontrol melalui tegangan gerbang eksternal.
a –b Variasi periodisitas Px dan Py di λ =1,5 μ M. a Fase transmisi dan b transmisi
Pengalihan Birefringence Melalui Bias Tegangan Gerbang
Penerapan bias tegangan gerbang melintasi y -bidang struktur silikon/grafena dirancang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a. Dengan mengalihkan tegangan gerbang antara nilai bias maju dan nilai bias mundur, lampu LP yang datang secara dinamis diubah menjadi status RCP dan LCP dari lampu yang tersebar, masing-masing. Tegangan bias mengontrol kecepatan Fermi elektron, νF , dan mengubah arah aliran elektron. Selain itu, tegangan bias mengubah densitas pembawa graphene yang pada gilirannya menyebabkan perubahan konduktivitas dan permitivitas listriknya. Dalam konfigurasi ini, struktur membentuk model kapasitor pelat kuasi-paralel dengan kapasitansi elektrostatik per satuan luas, C , didefinisikan sebagai C =εsiε0 /Px , di mana εsi adalah permitivitas dielektrik silikon. Energi Fermi, \(E_{F}~=~\hbar \nu _{F}\sqrt {\pi n_{s}}\), juga termodulasi. Kepadatan muatan (ns ) dan kapasitansi elektrostatik per satuan luas (C ) skala energi Fermi melalui tegangan gerbang, yaitu ns =CVG /e . Akibatnya, peningkatan Px menurunkan konsentrasi pembawa dalam graphene dan kapasitansi per satuan luas. Akibatnya, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b, posisi fase retardasi bergeser merah, konsisten dengan teori gangguan di pertengahan inframerah [35].
a Ilustrasi skema peralihan silikon/grafena dari status polarisasi melalui bias tegangan gerbang. b. Perbedaan fasa yang disimulasikan sebagai fungsi bias tegangan gerbang. c. Perbedaan fase ditampilkan sebagai fungsi periodisitas Px dan tegangan gerbang. d. Parameter Stokes S3 spektrum yang menunjukkan dua keadaan polarisasi melingkar yang ditentukan oleh tegangan gerbang yang berbeda
Di λ =1,5 μ m, dua keadaan polarisasi melingkar dapat dikodekan sebagai dua keadaan biner, 0 dan 1. Keadaan logika 0 sesuai dengan tegangan balik 47.5V sedangkan status logika 1 sesuai dengan tegangan maju 47,5V , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c. Perubahan yang sangat kecil pada fase retardasi, ΔΦ 0°, dapat diamati saat tegangan gerbang berada pada 25 V (sepanjang garis putus-putus hitam pada gambar). Pengamatan ini menunjukkan respon non-linier pada perubahan fasa pada 47.5, 25, dan 47.5 V , dikaitkan dengan variasi dalam kopling kapasitif karena graphene menjadi lebih konduktif karena perubahan kerapatan pembawa dan tegangan gerbang. Dibandingkan dengan panjang gelombang lain dalam inframerah-dekat, 1,5 μ m menunjukkan titik optimal untuk mengganti status polarisasi melingkar dari cahaya yang dihamburkan.
Pada Gambar 7d, parameter stoke S3 menggambarkan derajat polarisasi sirkular sebagai akibat dari bias tegangan gerbang. Batas 1 dan 1 menunjukkan konversi polarisasi ideal dari keadaan linier ke keadaan LCP dan RCP. Di antara panjang gelombang λ =1,49 μ m dan λ =1,52 μ m, derajat polarisasi sirkular mendekati kesatuan (> 90% ) untuk kedua status, mengonfirmasi wilayah operasi yang paling tepat dari struktur sebagai QWP.
Gambar 8a, b menunjukkan distribusi fase dari z komponen medan listrik, dihitung pada panjang gelombang desain λ =1,5 μ m di z =0. Distribusi bergeser saat tegangan dibalik dari 47,5 ke 47,5 V . Perubahan konduktivitas listrik dan densitas pembawa graphene menghasilkan rotasi mode magnetik yang terperangkap di sekitar struktur silikon.
Peta fase komponen medan listrik Ez melalui struktur berbentuk silang silikon/grafena di z =0 dihitung pada panjang gelombang desain λ =1,5 μ m, a ketika tegangan gerbang VG =47,5 V , dan b ketika tegangan gerbang VG =47,5 V
Kesimpulan
Singkatnya, kemampuan kontrol birefringence dari konverter polarisasi metasurface silikon / graphene hibrida telah dirancang secara numerik. Mode magnetik yang terperangkap dan faktor-Q tinggi dimodulasi dengan mengintegrasikan graphene dan silikon. Dua konfigurasi struktur hibrida telah ditunjukkan, satu dengan bias tegangan gerbang dan yang lainnya tanpa. Dalam struktur tegangan-bias, kinerja birefringence ditunjukkan melalui pembalikan tegangan gerbang. Dari lampu LP yang datang, tegangan bias mundur (- 47,5 V) menghasilkan output RCP dan tegangan bias maju (47,5 V) menghasilkan output LCP. Oleh karena itu, kinerja switching dinamis tercapai. Untuk konfigurasi ruang bebas, kinerja QWP ditunjukkan melalui manipulasi dimensi silikon dan tingkat grafena Fermi. Dalam kedua desain, bandwidth yang lebih stabil dan lebih luas diperoleh daripada di struktur tanpa graphene. Desain menunjukkan tingkat konversi polarisasi yang lebih tinggi (>96% ) dalam inframerah-dekat (λ =1,45 hingga 1,54 μ M). Tidak seperti di metasurfaces plasmonic, pencapaian ini menunjukkan efisiensi tinggi tanpa kerugian radiasi dan ohmik. Selain itu, strukturnya kompak dan memiliki ketebalan yang sangat tipis, sesuai untuk kompatibilitas dan integrasi dengan perangkat CMOS dan fotonik. Sementara itu, graphene layak dan dapat ditumbuhkan menggunakan deposisi uap kimia pada substrat sedangkan struktur silikon dapat dibuat menggunakan metode litografi standar.
