Metasurfase Gradien Fase Dielektrik Semua Tinggi Efisiensi untuk Transmisi Anomali NIR
Abstrak
Kami menyajikan metasurfase gradien fase yang terdiri dari nanorod silikon heksagon reguler tidak berkelanjutan pada substrat silica yang memberikan transmisi anomali luar biasa dalam infra merah dekat (1400–1600 nm). Simulasi numerik FDTD menunjukkan transmisi total 96,5 % dan transmisi anomali yang diinginkan 96,2 % pada 1529 nm, dengan sudut bias 30,64°. Dengan menyesuaikan periode dan jumlah elemen per periode, struktur mencapai 69,6 % transmisi anomali pada sudut bias 68,58°—rekor untuk metasurfase dielektrik. Performa tinggi ini membuka jalan untuk perangkat kontrol gelombang yang kompak dan ber efisiensi tinggi.
Pendahuluan
Metasurfase gradien fase telah merevolusi rekayasa gelombang, menawarkan kontrol fleksibel atas amplitudo, fase, dan polarisasi cahaya tanpa optik besar. Berbeda dengan elemen difraktif konvensional, meta material dua dimensi ini dapat diintegrasikan ke dalam chip fotonik, memungkinkan aplikasi mulai dari pengarahan sinar hingga holografi. Namun, sebagian besar desain logam menderita kehilangan ohmik intrinsik, yang membatasi efisiensi. Metasurfase dielektrik semua—menggunakan silikon rendah kehilangan atau dielektrik indeks tinggi lainnya—telah muncul sebagai alternatif yang menjanjikan, namun mencapai transmisi anomali efisiensi tinggi dan sudut bias besar sekaligus masih menantang. Studi terbaru melaporkan efisiensi hingga 83 % dengan sudut bias sekitar 30°, namun sudut yang lebih besar biasanya mengorbankan transmisi. Dalam karya ini, kami mengatasi keterbatasan ini dengan merancang array nanorod silikon heksagon reguler yang memberikan transmisi >96 % dan sudut bias hingga 69° dalam band infra merah dekat.
Desain dan Metode
Metasurfase terdiri dari nanorod silikon heksagon panjang 2 µm (tinggi H1, panjang sisi w) pada substrat silica tebal 7050 nm (H2). Kami menggunakan kondisi batas periodik dua dimensi sepanjang x dan y, dan lapisan cocok sempurna sepanjang z, untuk memodelkan gelombang TE insiden normal dalam band 1400–1600 nm. Indeks refraksi silikon dan silica diambil dari database Palik. Pembuatan akan melibatkan LPCVD film silikon tebal 1200 nm, litografi sinar elektron pola heksagon, dan dosis dikoreksi PEC untuk menghindari pembulatan yang diinduksi proximitas.
Kami pertama menganalisis respons fase dari satu sel satuan. Dengan memvariasi H1 (800–1200 nm) dan w (100–220 nm) kami memperoleh geser fase penuh 2π pada 1529 nm, sambil mempertahankan transmisi >90 % untuk H1 = 1200 nm. Resonansi tipe Fabry–Pérot dari nanorod mendominasi geser fase, seperti yang dikonfirmasi oleh analisis eigenmode dan ekspansi multipol. Gradien fase metasurfase diskretisasi menjadi lima langkah fase (0, 2π/5, 4π/5, 6π/5, 8π/5) menggunakan enam ukuran nanorod berbeda, membentuk periode lengkap Px = 3000 nm (Ny = 500 nm). Hukum Snell yang disempurnakan memprediksi sudut bias anomali θr = λ0/Px; dengan mengurangi Px atau meningkatkan jumlah elemen per periode kami dapat menyesuaikan θr dari 19,35° ke 68,58°.
a Geser fase metasurfase di seluruh 1400–1600 nm. b Profil fase pada 1529 nm. c Intensitas yang ditransmisikan dan dipantulkan.
Hasil dan Pembahasan
Peta fase simulasi (Gambar 4a) mengonfirmasi geser 2π yang halus di seluruh band. Transmisi total melebihi 60 % di seluruh 1400–1600 nm, mencapai puncak 96,5 % (λ = 1529 nm). Refleksi di bawah 3 % pada panjang gelombang desain, dan penyerapan tetap <0,1 % karena indeks imajiner silikon yang rendah dalam band ini.
Efisiensi transmisi anomali yang dihitung (Gambar 5a) melebihi 80 % antara 1527–1545 nm dan 1591–1600 nm. Pada 1529 nm, efisiensi mencapai 96,2 % dan daya far-field berkonsentrasi pada θr = 30,64°, seperti yang diprediksi oleh Eq. (3). Dengan meningkatkan jumlah elemen per periode (dari sembilan ke tiga), kami dapat mencapai sudut bias anomali hingga 68,58° sambil mempertahankan efisiensi >70 % pada 1536 nm (Gambar 7f, 8f). Metasurfase menahan deviasi ±10 nm dalam w dengan hanya penurunan efisiensi 2 %, menunjukkan prospek pembuatan yang kuat.
a Transmisi total versus tebal substrat. b Transmisi anomali versus tebal. c Ketergantungan polarisasi. d Kurva toleransi ukuran.
Kesimpulan
Kami merancang metasurfase gradien fase dielektrik semua yang memberikan efisiensi transmisi anomali >96 % pada 1529 nm dan sudut bias hingga 68,58°. Dengan memvariasi periode dan jumlah elemen, perangkat mendukung rentang sudut yang luas (19,35°–68,58°) sambil mempertahankan efisiensi tinggi (>80 % untuk sudut <46,68°). Metrik performa ini melebihi sebagian besar metasurfase dielektrik yang dilaporkan dan memposisikan desain ini sebagai kandidat kuat untuk komponen kontrol gelombang yang kompak dalam fotonik terintegrasi.
Ketersediaan Data dan Bahan
Data yang mendukung studi ini tersedia dari penulis tanggung jawab atas permintaan yang wajar.
