Polarization Beam Splitter Efisien Berdasarkan Metasurface All-Dielectric di Wilayah Terlihat
Abstrak
Dalam makalah ini, kami menyajikan metasurface gradien semua-dielektrik, yang terdiri dari pengaturan periodik dari nanoblock silikon berbentuk silang berukuran berbeda yang bertumpu pada substrat silika yang menyatu, untuk mewujudkan fungsi pemisahan polarisasi di wilayah yang terlihat. Susunan blok silikon berbentuk silang dapat menginduksi dua gradien fase transmisi yang berlawanan di sepanjang x -arah untuk linear x -polarisasi dan y -polarisasi. Dengan merancang dengan benar, permukaan meta dapat memisahkan cahaya terpolarisasi linier menjadi x - dan y - yang terpolarisasi, yang merambat pada sudut yang sama di sepanjang sisi kiri dan kanan insiden normal di x -z pesawat. Khususnya, ketika sinar dengan sudut polarisasi 45,0° datang pada perangkat yang diusulkan, x - dan y -yang ditransmisikan terpolarisasi memiliki intensitas yang hampir sama dalam rentang panjang gelombang dari 579 hingga 584 nm. Kami berharap pembagi berkas polarisasi yang diusulkan dapat memainkan peran penting untuk perangkat optik ruang bebas di masa depan.
Pengantar
Dalam beberapa tahun terakhir, metasurfaces, struktur subwavelength dua dimensi terdiri dari nanoantenna dalam konfigurasi array, telah memperoleh perhatian besar. Metasurface dapat memanipulasi cahaya datang pada skala subwavelength karena ketebalan terstrukturnya yang ultra tipis menyebabkan perubahan mendadak dari parameter sinar datang. Misalnya, fase [1,2,3,4,5], amplitudo [6,7,8,9], dan polarisasi [10,11,12,13] dari berkas datang dapat dimanipulasi dengan menyesuaikan bentuk , ukuran, dan orientasi nanoantenna subwavelength. Dibandingkan dengan bahan besar konvensional, perangkat metasufrace lebih mudah dibuat dan ketebalan ultra tipisnya di jalur optik dapat sangat menekan kerugian transmisi. Berdasarkan keuntungan menarik di atas, metasurfaces telah digunakan dalam banyak aplikasi, seperti konverter polarisasi [11,12,13], pencetakan warna penuh [14], holografi [15], lensa datar [16], generasi pusaran optik [ 4, 17], dan pemisahan spektrum [18,19,20,21].
Struktur nano logam digunakan untuk membentuk metasurfaces dengan defleksi balok awalnya [1, 22, 23]. Cakupan fase 2π yang diperlukan umumnya dapat dicapai berdasarkan dua metode. Yang satu menghasilkan dua resonansi independen, yang masing-masing memperkenalkan pergeseran fasa . Yang lainnya adalah memutar spasial resonator sub-panjang gelombang yang bergantung pada polarisasi dari 0 ° hingga 180 °. Namun, kerugian penyerapan metasurfaces logam membatasi efisiensi dalam mode transmisi. Metasurfaces semua-dielektrik baru-baru ini telah diusulkan untuk menggantikan yang logam karena kerugian penyerapan rendah [24,25,26,27,28]. Sampai saat ini, tiga pendekatan yang berbeda telah ditunjukkan untuk mewujudkan pergeseran fase 2π dalam metasurfaces semua-dielektrik, fase geometris [27], resonansi Mie [2, 4, 7], dan resonansi Fabry-Pérot [3, 28]. Metode pertama mirip dengan cara kedua di atas permukaan logam; ia bekerja untuk cahaya terpolarisasi sirkular. Mekanisme kedua mencakup rentang fase 2π penuh berdasarkan resonansi magnetik dan listrik yang tumpang tindih secara spektral; metasurface yang dirancang berdasarkan cara ini juga dikenal sebagai metasurface Huygens. Metode ketiga, seperti yang digunakan dalam makalah ini, menggunakan nanoantena rasio aspek tinggi untuk mendapatkan kontrol fase yang diinginkan. Antena dapat dianggap sebagai pandu gelombang terpotong dalam kasus ini, dan fase transmisi dimanipulasi oleh indeks bias efektif dari mode fundamental dalam antena dielektrik berukuran berbeda. Silikon umumnya diterapkan di semua perangkat metasurface dielektrik [2,3,4] karena indeks biasnya yang tinggi, kehilangan yang rendah, dan proses manufaktur yang matang. Adapun beberapa bahan indeks bias rendah lainnya, seperti silika (SiO2 ), silikon nitrida (Si3 N4 ), dan titanium dioksida (TiO2 ), kerugiannya dapat diabaikan, tetapi rasio aspek yang lebih tinggi membuat fabrikasi menjadi sangat menantang.
Pembagi berkas polarisasi, perangkat yang dapat memisahkan berkas optik menjadi dua komponen terpolarisasi ortogonal yang merambat di sepanjang jalur yang berbeda, merupakan komponen penting dalam sistem optik. Pemisah berkas polarisasi yang dilaporkan dalam literatur dirancang terutama berdasarkan struktur berikut, termasuk struktur subwavelength [29,30,31], skrup plasmonik hibrida [32], kisi [33], struktur interferensi multimode (MMI) [34], dan skrup arah asimetris [35, 36]. Farahani dan Mosallaei [29] mengusulkan metasurface infrared reflectarray untuk memancarkan kembali cahaya yang masuk menjadi dua sinar reflektif terpolarisasi ortogonal. Guo dkk. [30] merancang pembagi polarisasi berdasarkan metasurfaces silikon pada panjang gelombang tertentu 1500 nm. Dalam karya ini, kami mengusulkan pembagi berkas polarisasi defleksi sederhana dan sudut besar berdasarkan metasurface dielektrik, yang dibangun oleh susunan resonator silikon berbentuk silang yang berbeda di atas substrat silika. Kapan x - atau y -cahaya terpolarisasi biasanya datang, arah polarisasi cahaya yang ditransmisikan sama dengan cahaya datang. Pada panjang gelombang 583 nm, sudut defleksi adalah 46,78° dan efisiensi defleksi 63,7% di bawah x - kejadian terpolarisasi, sedangkan efisiensi defleksi adalah 66,4% dan sudut defleksi adalah 46,78° untuk y -terpolarisasi. Selanjutnya, perangkat yang diusulkan mampu memisahkan cahaya terpolarisasi linier menjadi x - dan y -yang terpolarisasi. Terutama, ketika polarisasi cahaya datang berada pada sudut 45° terhadap x -sumbu, dua sinar yang ditransmisikan secara ortogonal memiliki intensitas yang kira-kira sama dalam wilayah panjang gelombang dari 579 hingga 584 nm.
Metode
Gambar 1 secara skematis menggambarkan konfigurasi perangkat pembagi berkas polarisasi yang diusulkan, yang dirancang berdasarkan metasurface semua-dielektrik. Metasurface terdiri dari susunan blok silikon berbentuk silang yang ditempatkan pada substrat silika. Konstanta optik silikon diambil dari Ref [37], dan indeks bias silika adalah 1,45. Tinggi blok silikon h diatur sebagai 260 nm; periode sel satuan sepanjang x - dan y -arah dioptimalkan menjadi Px = 200 nm dan Py =200nm. Simulasi numerik dilakukan oleh model domain waktu perbedaan hingga (FDTD) tiga dimensi, di mana kondisi batas periodik diterapkan di kedua x - dan y -arah dan lapisan yang sangat cocok digunakan di sepanjang z -arah. Gelombang bidang biasanya datang dari bawah substrat. Array nanoblock silikon berbentuk silang dapat dilihat sebagai terdiri dari dua array blok silikon tegak lurus. Satu larik adalah yang panjangnya w antena di sepanjang x -sumbu tetap konstan sedangkan panjangnya Ly sepanjang y -sumbu berubah untuk menginduksi gradien fase di bawah y - insiden terpolarisasi Sebaliknya, yang lain memperkenalkan gradien fase untuk x -iluminasi terpolarisasi dengan memvariasikan panjang Lx antena di sepanjang x -mengarahkan dan mempertahankan panjang w sepanjang y -konstanta sumbu.
Konfigurasi skema dari metasurface berbentuk salib yang diusulkan bertindak sebagai pembagi berkas polarisasi
Pertama, kita mendesain array gradien fase di bawah y - insiden terpolarisasi Seperti digambarkan pada Gambar. 2a dan b, kami menghitung transmisi dan respon fasa dari blok silikon periodik dengan mengubah lebar w dari 60 hingga 75 nm dan panjangnya Ly dari 60 hingga 200 nm pada panjang gelombang 583 nm. Cakupan fase 2π yang lengkap tidak dapat diperoleh jika lebar w kurang dari 61,5 nm, tetapi intensitas transmisi menurun seiring dengan lebar w meningkat. Mempertimbangkan pembuatan proses, sementara itu, lebar w satuan dasar ditetapkan sebagai 70 nm, dan panjangnya Ly bervariasi untuk memberikan kontrol fase transmisi 2π penuh seperti yang digambarkan pada Gambar. 2c. Transmisi dan respons fase sebagai fungsi dari panjang Ly pada panjang gelombang 583 nm digambarkan pada Gambar. 2d. Untuk sudut pemisahan yang besar, empat unit berbeda dipilih untuk menjangkau rentang fase 0 hingga 2π, panjangnya Ly dari empat elemen adalah Ly1 = 169 nm, Ly2 = 122 nm, Ly3 = 103 nm, dan Ly4 =70 nm, masing-masing. Menurut hukum Snell umum, sudut bias anomali θt dapat diperoleh dengan rumus,
dimana nt dan ni adalah indeks bias dari medium yang ditransmisikan dan yang datang, masing-masing, θi adalah sudut datang, λ0 adalah panjang gelombang datang dalam ruang hampa, dx dan dϕ adalah jarak dan perbedaan fase antara unit tetangga di sepanjang x -arah. Dalam kasus kami, nilai dϕ adalah /2 untuk y -insiden terpolarisasi, yang dicapai dengan mengurangi panjang secara bertahap Ly nanoblock di sepanjang x arah -positif, seperti array A digambarkan pada Gambar. 2e. Untuk mewujudkan fungsi pemisahan polarisasi, beda fase dϕ diatur ke /2 di bawah x - insiden terpolarisasi Di sini, panjangnya Lx dari empat unit di sepanjang x -arah positif berturut-turut adalah 70 nm, 103 nm, 122 nm, dan 169 nm, sedangkan lebarnya w pertahankan nilai yang sama 70 nm, seperti array B yang ditunjukkan pada Gambar. 2e. Akhirnya, dua larik di atas digabungkan menjadi satu larik berbentuk silang untuk membentuk metasurface yang membelah sinar polarisasi, dan larik A dan B menunjukkan gradien fase untuk y - dan x -lampu insiden terpolarisasi, masing-masing.
Desain permukaan meta. a Transmisi dan b respon fase sebagai fungsi dari lebar w dan panjang Ly pada panjang gelombang 583 nm.c Satu unit metasurface untuk y - insiden terpolarisasi d Transmisi dan respons fase nanoblock periodik dengan lebar 70 nm sebagai fungsi dari panjang Ly . e Prosedur desain metasurface beam splitter polarisasi yang diusulkan (tampilan vertikal). Di sini, kami mengurutkan unit dari kiri ke kanan sebagai unit1, unit 2, unit 3, dan unit 4
Hasil dan Diskusi
Kinerja optik dari metasurface berbentuk salib yang bertindak sebagai pembagi berkas polarisasi disimulasikan dengan metode FDTD tiga dimensi. Dalam kasus kami, nilai dx adalah 200 nm, dϕ adalah /2, /2 untuk x - dan y - insiden terpolarisasi masing-masing. Menurut Persamaan. (1), berkas transmisi anomali dibelokkan pada sudut 46,78° di bawah x - kejadian normal terpolarisasi pada panjang gelombang 583 nm. Distribusi medan listrik yang ditransmisikan di bawah x -iluminasi terpolarisasi di x-z pesawat digambarkan pada Gambar. 3a. Sudut difraksi yang diamati 46,78° dari profil muka gelombang konsisten dengan hasil teoritis. Hasil simulasi pada Gambar 3b menunjukkan bahwa intensitas ternormalisasi di medan jauh di bawah x - insiden terpolarisasi Efisiensi transmisi total adalah 69,7%, dan efisiensi defleksi adalah 63,7%, yang terutama disebabkan oleh reflektifitas antarmuka (12,5%), penyerapan silikon (17,8%), dan orde difraksi lainnya (6%). Di sini, efisiensi defleksi didefinisikan sebagai intensitas balok yang dibelokkan dalam orde difraksi yang diinginkan (+ 1, orde 1 untuk x - dan y -kejadian terpolarisasi) dinormalisasi menjadi intensitas kejadian total. Ketika linier y -cahaya terpolarisasi biasanya datang, medan listrik dan distribusi intensitas medan jauh ternormalisasi pada panjang gelombang 583 nm masing-masing diberikan pada Gambar 3c dan d. Sudut defleksi adalah 46,78° dan efisiensi defleksi yang sesuai adalah 66,4%, sedangkan efisiensi transmisi total adalah 75,2%. Refleksi mungkin terutama disebabkan oleh indeks bias silikon yang tinggi dan hamburan mundur dari tepi, dan hilangnya silikon secara intrinsik di wilayah yang terlihat menyebabkan penyerapan yang tinggi. Jika kehilangan penyerapan tidak dipertimbangkan dalam kasus kami, efisiensi transmisi total dapat mencapai sekitar 90% untuk dua kejadian di atas, yang sebanding dengan nilai dalam Ref [30]. Sudut yang dibelokkan tergantung pada banyak parameter menurut Persamaan. (1), sehingga dapat dimanipulasi untuk memenuhi kebutuhan kita dengan menyesuaikan parameter, seperti periode sepanjang arah gradien fase, panjang gelombang operasi, dan lainnya.
Distribusi medan listrik di dekat metasurface di x-z pesawat di bawah ax -terpolarisasi dan cy - insiden terpolarisasi Distribusi intensitas medan jauh yang dinormalisasi untuk bx -terpolarisasi dan dy -terpolarisasi biasanya cahaya datang. Panjang gelombang operasi adalah 583 nm, dan sudut yang ditransmisikan didefinisikan sebagai nilai positif (negatif) di sisi kanan (kiri) normal
Gelombang bidang terpolarisasi linier (E ) selalu dapat didekomposisi menjadi dua komponen ortogonal (Ex dan Ey ), yang secara bersamaan membangkitkan dua medan resonansi independen di x - dan y -arah. Oleh karena itu, ketika gelombang bidang terpolarisasi linier biasanya datang pada metasurface, itu dapat diselesaikan menjadi x- dan y yang terpolarisasi, yang dapat menginduksi gradien fase yang berlawanan di sepanjang x -arah. Gambar 4a menggambarkan bahwa diagram mekanisme kerja dari pembagi berkas polarisasi yang diusulkan, berkas datang akan dibagi menjadi x - dan y -yang terpolarisasi, sudut yang dibelokkan yang sesuai adalah θt dan θt , yang ditentukan oleh panjang gelombang operasi. Intensitas dari dua sinyal yang ditransmisikan ditentukan oleh sudut terpolarisasi dari cahaya datang. Ketika polarisasi cahaya datang membentuk sudut 45° terhadap x -sumbu, x - dan y -distribusi medan listrik terpolarisasi yang ditransmisikan diekstraksi dari total medan yang ditransmisikan seperti yang digambarkan pada Gambar. 4c, yang juga menegaskan fungsi pemisahan polarisasi dari perangkat yang diusulkan ini. Distribusi intensitas medan jauh yang dinormalisasi untuk operasi panjang gelombang 583 nm digambarkan pada Gambar. 4b; intensitas dua balok keluaran adalah nilai yang sama 0,336. Intensitas transmisi total Ikeluar adalah 0,726, jadi efisiensi total output cahaya dibelokkan ke dalam orde difraksi + 1 (x -polarisasi) dan urutan 1 (y -polarisasi) keduanya 46,3%. Di sini, intensitas orde difraksi 0 menyumbang 7,4% dari total transmisi, yang dapat ditekan dengan lebih mengoptimalkan parameter atau bentuk geometris. Selanjutnya, x - dan y -berkas cahaya yang ditransmisikan terpolarisasi memiliki intensitas yang hampir sama (∣Ixpol .Akuypol . /Akuxpol . < 2%) ketika sudut polarisasi 45° dalam rentang panjang gelombang dari 579 hingga 584 nm. Sudut dibelokkan yang sesuai dan intensitas transmisi pada panjang gelombang yang berbeda diberikan pada Tabel 1.
a Mekanisme kerja perangkat pembagi berkas polarisasi yang diusulkan (tampilan depan). b Intensitas medan jauh yang dinormalisasi. c Ekstrak yang ditransmisikan x -terpolarisasi (kiri) dan y -distribusi medan listrik terpolarisasi (kanan) dari metasurface yang dirancang di bawah insiden normal cahaya terpolarisasi 45° pada panjang gelombang 583 nm
Dalam proses desain di atas, idealnya kita mengasumsikan bahwa fase dan respon transmisi pada x (y )- insiden terpolarisasi tidak terpengaruh oleh periode di y (x )-arah. Untuk membuktikannya, kami menganalisis pengaruh periode di y (x )-arah pada fase dan transmisi saat x (y )-terpolarisasi cahaya datang pada metasurfaces seragam yang dibangun oleh unit 1, 2, 3, dan 4 dalam larik B(A), masing-masing. Gambar 5 a dan b menggambarkan bahwa ketika periode Py di y -arah bervariasi dari 190 hingga 210 nm, perubahan fase dari empat jenis permukaan meta selalu kurang dari 0,05π dan transmisi hampir tidak memiliki perubahan di bawah x - insiden terpolarisasi Fenomena yang sama terjadi ketika periode Px di x -arah bervariasi dari 190 hingga 210 nm di bawah y - insiden terpolarisasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5c dan d. Kami berpikir bahwa respon fase dan transmisi di bawah x (y )- insiden terpolarisasi hampir tidak tergantung pada periode di y (x )-arah dalam kasus ini. Oleh karena itu, proses desain kami jelas dan metodenya jelas sederhana. Dalam Ref [30], untuk memperkenalkan dua gradien fase transmisi yang berlawanan untuk linear x -polarisasi dan y -polarisasi sepanjang x -arah, parameter geometrik satuan, lebar, dan panjang dipilih secara bersamaan dengan menghitung perubahan respons fase dengan dua parameter di bawah x dan y insiden terpolarisasi linier. Tidak ada aturan pasti untuk pemilihan lebar dan panjang satuan.
Respon fase dan transmisi sebagai fungsi periode dalam y (x )-arah ketika x (y )-terpolarisasi cahaya datang pada metasurfaces seragam yang dibangun oleh unit 1, 2, 3, dan 4 dari larik B(A), masing-masing. a respon fase dan b transmisi sebagai fungsi Py . c respon fase dan d transmisi sebagai fungsi Px
Kesimpulan
Singkatnya, kami merancang pembagi berkas polarisasi berdasarkan metasurface semua-dielektrik di wilayah yang terlihat. Metasurface terdiri dari susunan nanoblock silikon berbentuk silang yang ditempatkan di atas substrat dielektrik silika. Ketika cahaya datang terpolarisasi pada sudut 45° relatif terhadap x -arah, intensitas identik dari x - dan y -sinyal keluaran terpolarisasi adalah 0,336 pada panjang gelombang operasi 583 nm, yang menyumbang 46,3% dari total intensitas transmisi. Selain itu, perangkat yang diusulkan menunjukkan kinerja pemisahan berkas polarisasi dengan daya yang sama untuk insiden terpolarisasi 45° dalam wilayah panjang gelombang dari 579 hingga 584 nm. Kami berharap pemecah berkas polarisasi dapat diterapkan lebih lanjut di perangkat terintegrasi semua optik di masa mendatang.
Singkatan
dx :
Jarak antara unit tetangga di sepanjang x -arah
dϕ :
Perbedaan fase antara unit tetangga di sepanjang x -arah
