Kontrol Polarisasi Terahertz Ultra-Lebar-Band melalui Metasurfase Dielektrik Anisotropik
Abstrak
Kami menunjukkan metasurfase dielektrik terahertz dengan multipol anisotropik dalam kerangka prinsip Huygens yang disempurnakan, di mana interferensi antara multipol ini mencapai geser fase raksasa dengan lebar pita yang diperluas dan koefisien transmisi tinggi. Yang lebih penting, karena desain anisotropik, berbagai penundaan fase antara π/2 dan 3π/2 diperoleh, yang mengubah gelombang terahertz linear polarisir insiden menjadi cahaya polarisasi lingkaran kanan/kiri, cahaya polarisasi elips, dan cahaya polarisasi silang. Hasil simulasi dan eksperimental memverifikasi kontrol polarisasi terahertz lengkap dengan ellipsitas yang berkisar dari 1 hingga −1, yang membuka jalan untuk aplikasi meta-perangkat terahertz terkait polarisasi.
Pendahuluan
Polarisasi merupakan salah satu parameter kunci yang mengukur status gelombang elektromagnetik [1]. Khususnya, kontrol polarisasi di wilayah terahertz telah menarik minat penelitian yang besar karena potensi aplikasi dalam teknologi terahertz [2, 3]. Namun, gelombang terahertz yang dihasilkan dari sebagian besar sumber terahertz memiliki polarisasi linear [4], yang tidak dapat memenuhi persyaratan dalam sistem polarimetrik terahertz yang kompleks. Pendekatan konvensional untuk memanipulasi polarisasi gelombang terahertz melibatkan material birefringent, yang secara inheren menderita banyak kelemahan, termasuk ukuran besar dan operasi lebar pita sempit. Kelemahan ini menghalangi perangkat ini diintegrasikan ke dalam sistem fotonik terahertz modern yang kompak dan lebar pita.
Dalam beberapa tahun terakhir, metasurfase, yang merupakan array anten yang dirancang buatan, memungkinkan pendekatan yang efisien untuk membentuk polarisasi gelombang terahertz [5, 6]. Berbagai metasurfase logam telah diusulkan untuk merealisasikan kontrol polarisasi. Desain yang diusulkan biasanya didasarkan pada metasurfase anisotropik [7], metasurfaseiral [8] dan metasurfase berlapis [9, 10]. Media aktif, seperti material perubahan fase [11], semikonduktor [8], material dua dimensi [12, 13], kristal cair [14] dan superkonduktor [15], telah diintegrasikan ke dalam metasurfase untuk memperluas fungsionalitas. Metasurfase logam berlapis dan aktif dapat meningkatkan performa kontrol polarisasi dengan pengorbanan kehilangan tinggi dan proses pembuatan yang kompleks. Baru-baru ini, metasurfase dielektrik, yang terdiri dari anten dielektrik, memberikan pendekatan baru untuk mengontrol gelombang elektromagnetik [16]. Dengan bantuan interferensi antara resonansi Mie listrik dan magnetik, metasurfase dielektrik mampu merealisasikan kontrol fase 2π dengan efisiensi tinggi [17]. Upaya besar telah dilakukan untuk meningkatkan performa metasurfase dielektrik untuk kontrol polarisasi terahertz [18, 19]. Namun, sebagian besar karya sebelumnya didasarkan pada resonansi dipo listrik dan magnetik, yang merealisasikan performa terbatas, seperti rentang kontrol penundaan fase yang terbatas dan dalam prinsipnya operasi tunggal frekuensi [17], dan sehingga menghalangi manipulasi lengkap polarisasi gelombang terahertz dengan performa tinggi.
Di sini, kami mengusulkan metasurfase dielektrik dengan multipol, yang sangat meningkatkan dispersi fase dengan geser fase hingga 4π dan merealisasikan penundaan fase raksasa, lebar pita yang diperluas dan efisiensi tinggi, memungkinkan kontrol polarisasi terahertz lengkap. Terdiri dari array pilar silikon elips, metasurfase yang diusulkan mampu mendukung berbagai multipol listrik dan magnetik. Dengan melapisi multipol ini, transmisi hampir sempurna dalam lebar pita yang diperluas dan geser fase hingga 4π dapat dicoba menggunakan prinsip Huygens yang disempurnakan [20, 21]. Karena anisotropi pilar silikon, superposisi multipol dapat diubah secara independen sepanjang sumbu pendek dan panjang pilar elips. Oleh karena itu, penundaan fase raksasa dalam lebar pita dapat dicoba dalam metasurfase dielektrik ini, yang menunjukkan performa yang lebih unggul dibandingkan desain logam dan dielektrik lainnya (lihat berkas tambahan 1: Fig. S1). Karena desain yang diusulkan kami dapat mencapai kontrol polarisasi lengkap dalam kerangka desain yang sederhana, meta-atom dapat diatur buatan untuk secara spasial mengubah derajat polarisasi dan menghasilkan gelombang terahertz kompleks, seperti bidang vektor dengan ellipsitas bervariasi [22].
Desain dan Simulasi
Gelombang elektromagnetik yang diserang dari anten dielektrik dapat diuraikan menjadi multipol dengan simetri berbeda [23]. Ketika anten dielektrik diatur ke dalam array dalam metasurfase, medan yang diserang E dapat diekspresikan sebagai jumlah dari komponen simetris Es dan komponen anti-simetris Eas. Oleh karena itu, transmisi dan refleksi metasurfase di sepanjang arah propagasi gelombang z dapat secara umum diturunkan sebagai [21, 24, 25]:
di mana amplitudo gelombang insiden didefinisikan sebagai 1. Untuk mencapai transmisi tinggi dan refleksi yang dapat diabaikan, Es ( - z) dan Eas ( - z) dalam arah belakang harus memiliki amplitudo yang sama tetapi fase yang berlawanan. Khususnya, ketika anten dielektrik mendukung dua multipol, misalnya resonansi simetris (contohnya dipo listrik) dan resonansi anti-simetris (contohnya dipo magnetik), superposisi mereka dapat memenuhi persyaratan interferensi destruktif. Interferensi destruktif menyebabkan refleksi nol ketika kedua mode dipo ini memiliki frekuensi resonansi yang sama dengan amplitudo dan faktor kualitas yang sama, yang telah diusulkan dalam metasurfase Huygens [17]. Namun, interferensi destruktif semacam ini hanya terjadi dalam lebar pita sempit, yang secara fundamental membatasi realizasi perangkat lebar pita. Untuk memperluas lebar pita operasi, medan yang diserang Es dan Eas harus mencakup kontribusi dari multipol orde tinggi lainnya, di mana transmisi yang dihasilkan adalah keseimbangan interferensi multipol di antara multipol ini. Skenario ini mirip dengan konsep kondisi Kerker yang disempurnakan dengan interferensi multipol [26,27,28].
Untuk mencakup semua status polarisasi, termasuk polarisasi lingkaran kanan/kiri, polarisasi elips dan polarisasi linear, penundaan fase harus mencakup dari 90° hingga 270°, yang sesuai dengan ellipsitas yang berkisar dari 1 hingga −1. Oleh karena itu, kami mengusulkan metasurfase dielektrik anisotropik yang terdiri dari array pilar silikon elips, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Di wilayah terahertz, silikon intrinsik digunakan untuk menghilangkan penyerapan kehilangan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, cahaya insiden polarisasi linear dapat diubah menjadi cahaya polarisasi lingkaran, cahaya polarisasi elips dan cahaya polarisasi silang, ketika interferensi multipol mempertahankan kombinasi berbeda dengan berbagai ukuran geometri. Gambar 1b menunjukkan parameter sel satuan. Panjang sumbu pendek dan panjang pilar elips adalah a dan b, masing-masing. Tinggi pilar adalah h. Periodisitas sel satuan di sepanjang sumbu pendek dan panjang adalah Px dan Py, masing-masing. Gambar 1c menunjukkan gambar mikroskop elektron pemindai (SEM) dari array pilar silikon yang biasanya, yang akan dibahas pada bagian metode.
a Skema metasurfase dielektrik yang merealisasikan kontrol polarisasi lengkap. b Sel satuan metasurfase dielektrik. c Gambar SEM array pilar silikon yang biasanya dalam pandangan miring dengan gambar zoom-in
Untuk merealisasikan kontrol polarisasi terahertz lengkap dalam metasurfase dielektrik yang diusulkan, simulasi numerik dilakukan untuk mengoptimalkan dimensi metasurfase dielektrik, yang secara bersamaan memenuhi persyaratan variasi penundaan fase 90° hingga 270° dengan transmisi tinggi dan lebar pita yang diperluas. Antara 90° dan 270°, ukuran langkah 45° dipilih untuk menunjukkan berbagai skema kontrol polarisasi. Di sini, kami menyebut berbagai desain berdasarkan penundaan fasa mereka, yang masing-masing didefinisikan sebagai P90, P135, P180, P225 dan P270. Kami melakukan simulasi numerik dalam perangkat lunak simulasi komersial CST microwave studio. Dalam simulasi, silikon diperlakukan sebagai dielektrik tanpa kehilangan dengan εSi = 11,7 di wilayah terahertz. Substrat dimodelkan sebagai dielektrik tanpa kehilangan dengan εsub = 4,5. Kondisi batas periodik diterapkan di sepanjang sumbu x- dan y. Gelombang terahertz memancarkan pilar di arah z dengan kondisi batas ruang terbuka. Di sisi belakang substrat, kondisi batas terbuka digunakan untuk mensimulasikan substrat semi-tak hingga. Gambar 2a menunjukkan simulasi transmisi dan penundaan fase dari lima metasurfase berbeda. Parameter detail dari semua metasurfase disajikan dalam Berkas tambahan 1: Tabel S1. Terlihat bahwa semua metasurfase menunjukkan koefisien transmisi tinggi untuk insiden polarisasi x- dan y dari 1,2 hingga 1,3 THz, sementara penundaan fase bervariasi dari 90°, 135°, 180°, 225° hingga 270°, masing-masing. Koefisien transmisi yang sama dengan penundaan fase 90° menunjukkan bahwa cahaya insiden dapat diubah menjadi cahaya polarisasi lingkaran kiri (LCP). Sebagian besar, penundaan fase 135°, 180°, 225° dan 270° diperoleh dengan polarisasi cahaya keluaran yang mencakup elips, silang dan polarisasi lingkaran kanan. Oleh karena itu, kontrol polarisasi lengkap gelombang terahertz tercapai dalam metasurfase dielektrik yang diusulkan, yang menunjukkan performa yang lebih unggul dibandingkan meta-perangkat dengan lebar pita terbatas, efisiensi rendah dan cakupan penundaan fase yang terbatas [18, 29].
a Simulasi dan b pengukuran eksperimental koefisien transmisi dan penundaan fase metasurfase dielektrik untuk desain P90, P135, P180, P225 dan P270, masing-masing
Hasil dan Pembahasan
Untuk memvalidasi performa kontrol polarisasi, array pilar silikon diproduksi dan dikarakterisasi dalam spektroskop domain waktu terahertz (THz-TDS). Proses pembuatan dapat ditemukan di bagian Metode. Substrat kaca borosilikat tipis (BF33, tebal 300 μm) dipilih sebagai substrat. Gambar SEM dari sampel yang biasa untuk desain dengan penundaan fase 270° ditampilkan pada Gambar 1c dalam pandangan miring dengan gambar zoom-in sebagai inset. Untuk mengkarakterisasi performa metasurfase, medan listrik gelombang terahertz yang ditransmisikan di sepanjang sumbu pendek dan panjang pilar silikon ditandai sebagai Ex dan Ey. Substrat kaca polos diukur sebagai referensi dengan medan listrik yang ditransmisikan yang sesuai Ex(ref) dan Ey(ref). Koefisien transmisi diekspresikan sebagai tx = Ex /Ex(ref) dan ty = Ey /Ey(ref). Penundaan fase antara dua polarisasi ortogonal dihitung dan ditandai sebagai φ = φy - φx = arg (ty ) - arg (tx ). Detail sistem pengukuran dapat ditemukan di bagian Metode.
Koefisien transmisi dan penundaan fase yang diukur dari metasurfase dielektrik ditampilkan pada Gambar 2b. Seperti yang dapat dilihat, koefisien transmisi tinggi dalam rentang frekuensi yang dirancang diperoleh untuk kasus P90, P135, P180, P225 dan P270, dengan penundaan fase masing-masing mendekati 90°, 135°, 180°, 225° dan 270°. Selisih kecil antara hasil simulasi dan pengukuran dapat diamati, yang mungkin berasal dari fluktuasi ukuran selama proses pembuatan. Ketidakteraturan permukaan metasurfase mungkin menjadi masalah lain yang membawa kehilangan tambahan dan mengurangi koefisien transmisi [30]. Selain itu, layak dicatat bahwa efek substrat, termasuk kehilangan dan refleksi, dibahas secara rinci dalam Berkas tambahan (lihat Berkas tambahan 1: Fig. S2). Meskipun demikian, tren variasi yang serupa antara hasil pengukuran dan simulasi memvalidasi performa metasurfase dielektrik untuk kontrol polarisasi.
Untuk menyelidiki sepenuhnya performa konversi polarisasi dalam metasurfase, ellipsitas gelombang yang ditransmisikan dihitung, yang didefinisikan sebagai:
$$\chi = S_{3} /S_{0} ,$$ (3)
di mana S0 dan S3 adalah parameter Stokes yang dapat langsung dihitung berdasarkan koefisien transmisi dan penundaan fase [29]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3, hasil simulasi menunjukkan cakupan penuh ellipsitas dari 1 hingga −1. Secara umum, performa konversi polarisasi dekat 1,2–1,3 THz menunjukkan tren variasi yang serupa untuk hasil simulasi dan eksperimental. Beberapa ketidaksesuaian terjadi di sekitar 1,4 THz, yang mungkin berasal dari dua aspek. Pertama, dalam simulasi, substrat diperlakukan sebagai material tanpa kehilangan dengan ketebalan tak hingga, sedangkan dalam eksperimen, substrat memiliki kehilangan yang jelas dengan ketebalan 300 μm. Kehilangan ini akan meredam resonansi high-Q (contohnya MD pada 1,4 THz) dan meratakan spektrum transmisi. Kedua, parameter geometri resonator dalam eksperimen bervariasi dibandingkan dengan yang ditentukan dalam simulasi. Contoh tipikal adalah lebar pilar yang bervariasi secara bertahap pada ketinggian yang berbeda, yang disebabkan oleh proses etching ion reaktif dalam dalam dalam pembuatan. Variasi parameter geometri ini akan memperluas multipol dan meningkatkan tumpang tindih mereka, dan sehingga resonansi high-Q individual merosot karena superposisi dan interferensi. Singkatnya, efek substrat dan variasi parameter geometri dalam eksperimen secara kolektif menghasilkan ketidaksesuaian dibandingkan dengan simulasi di sekitar 1,4 THz. Ketidaksesuaian semacam ini dapat dikurangi lebih lanjut dengan memilih substrat dengan kehilangan rendah (contohnya, kuarsa, poliamida, SU8) dengan ketebalan kecil dan mengoptimalkan proses pembuatan dengan parameter yang diamati dalam simulasi. Juga layak dicatat bahwa frekuensi operasi umumnya dirancang pada frekuensi di luar resonansi, sehingga tidak terpengaruh oleh kemerosotan resonansi high-Q.
a Simulasi dan b ellipsitas yang diukur secara eksperimental dari berbagai metasurfase dielektrik
Untuk mengilustrasikan interferensi multipol dalam metasurfase dielektrik, penampang serang (SCS) dari berbagai multipol dihitung dengan dekomposisi multipol bola terhadap dua arah polarisasi ortogonal [19, 24]. Detail dekomposisi multipol dapat ditemukan di bagian Metode. Gambar 4 menunjukkan SCS yang dihitung dari berbagai metasurfase dielektrik di bawah insiden polarisasi x- dan y. Pertama untuk P90, resonansi dipo magnetik (MD) berkontribusi pada SCS keseluruhan pada 1,4 THz di bawah insiden polarisasi x, sedangkan di bawah cahaya polarisasi y terutama terjadi pada 1,18 THz. Di daerah frekuensi yang lebih tinggi di sekitar 1,42 THz, komponen dipo listrik (ED), kuadrupol listrik (EQ) dan kuadrupol magnetik (MQ) menunjukkan kontribusi yang jelas pada SCS di bawah cahaya polarisasi y. Saat membandingkan SCS di bawah insiden polarisasi x- dan y , di daerah tumpang tindih mereka antara 1,2 dan 1,3 THz, kondisi di luar resonansi memastikan koefisien transmisi tinggi, sementara interferensi di antara berbagai multipol mengangkat kurva dispersi fase yang berbeda untuk dua arah polarisasi ortogonal. Dengan keseimbangan yang tepat di antara berbagai multipol, penundaan fase tertentu dengan koefisien transmisi tinggi dan lebar pita yang diperluas dapat dicoba, yang dalam kasus kita sesuai dengan penundaan fase 90°. Untuk kasus P135, P180 dan P225, kontribusi dari ED, MD, EQ dan MQ menunjukkan tren variasi yang serupa dengan kasus P90 dengan perubahan halus dari frekuensi resonansi dan tumpang tindih mode, yang secara jelas menunjukkan fungsionalitas interferensi multipol untuk kontrol polarisasi. Sebaliknya, untuk kasus P270, penundaan fase 270° memerlukan dispersi fase raksasa dengan transmisi tinggi dalam lebar pita yang luas, yang sulit dicoba melalui kondisi di luar resonansi. Untuk mengatasi masalah ini, kami merancang kondisi dalam resonansi untuk kasus P270. Di bawah insiden polarisasi x, mode resonansi ED, MD dan MQ menunjukkan kontribusi yang jelas pada SCS antara 1,2 dan 1,3 THz. Di bawah insiden polarisasi y , resonansi MD mendominasi pada 1,39 THz. Oleh karena itu, efek interferensi multipol menyebabkan transmisi tinggi dalam lebar pita yang luas dengan penundaan fase 270°.
Dekomposisi multipol dari SCS untuk resonansi ED, MD, EQ dan MQ di bawah ax- dan by-insiden polarisasi
Dibandingkan dengan desain yang sudah ada lainnya, desain yang diusulkan kami memungkinkan platform tunggal lapis untuk kontrol polarisasi terahertz lengkap. Yang lebih penting, penundaan fase dari desain kami dapat diubah dari 90° hingga 270°, mencakup berbagai status polarisasi, termasuk polarisasi lingkaran, polarisasi elips dan polarisasi silang-linear, yang sulit dicoba dalam desain yang sudah ada lainnya (Tabel 1). Sementara itu, lebar pita dan efisiensi desain kami dapat melampaui desain tunggal lapis yang sudah ada lainnya. Perlu dicatat bahwa meskipun desain berlapis menunjukkan performa yang lebih baik dibandingkan desain kami, meta-struktur berlapis ini memerlukan proses desain dan pembuatan yang kompleks, yang membatasi aplikasi mereka dalam sistem optik terahertz kompak. Selain itu, desain kami merealisasikan konversi polarisasi yang berbeda, sementara sebagian besar desain berlapis mencapai penundaan fase yang terbatas dengan fungsi konversi polarisasi tunggal.
Kesimpulan
Dalam rangkuman, kami telah mengusulkan dan menunjukkan secara eksperimental kontrol polarisasi terahertz lengkap dengan lebar pita yang diperluas dan efisiensi tinggi melalui metasurfase dielektrik semua. Terdiri dari array pilar silikon elips, metasurfase yang diusulkan merealisasikan koefisien transmisi yang sama dan tinggi di sepanjang sumbu x- dan y -axis, sementara penundaan fase mereka dapat diatur secara kontinu dari 90° hingga 270° dengan ukuran langkah 45°. Ellipsitas yang sesuai berubah dari 1 hingga −1, menunjukkan cakupan penuh dari berbagai cahaya terpolarisasi, termasuk cahaya LCP, cahaya polarisasi elips, cahaya polarisasi silang dan cahaya RCP. Di atasnya, hasil dekomposisi multipol memverifikasi kontribusi yang berbeda dari multipol untuk kontrol polarisasi. Metasurfase dielektrik yang didukung interferensi multipol ini menjanjikan strategi eksotis untuk menerapkan perangkat kontrol polarisasi fungsional terahertz dengan performa tinggi.
Metode
Pembuatan metasurfase dielektrik melibatkan fotolitografi standar dan etching ion reaktif dalam dalam. Pertama, wafel silikon intrinsik dengan ketebalan 500 μm diikat pada wafel kaca (BF33, ketebalan 300 μm) melalui ikatan anodis. Resistivitas wafel silikon melebihi 5.000 Ω·cm untuk menghilangkan penyerapan kehilangan dalam silikon di wilayah terahertz. Wafel silikon tipis menjadi ketebalan 180 μm. Kemudian, wafel dibersihkan dengan aseton dan wafel deionisasi selama 30 menit. Selanjutnya, fotoresist AZ4620 dicelupkan pada wafir, diikuti dengan soft-baking pada 100 °C selama 10 menit. Setelah dicelupkan, array elips dibuat pada fotoresist dengan fotolitografi (MA6) dengan waktu paparan 40 detik, diikuti dengan pengembangan fotoresist dalam pengembang selama 3 menit. Setelah itu, proses hard-baking dilakukan pada 110 °C selama 5 menit. Langkah berikutnya adalah etching silikon dengan etching ion reaktif dalam dalam selama 56 menit. Pada akhirnya, fotoresist yang tersisa dibersihkan dengan aseton, propanol dan air deionisasi.
Metasurfase dielektrik dikarakterisasi dalam THz-TDS. Dalam sistem ini, gelombang terahertz dihasilkan dari pemancar terahertz spintronik buatan sendiri, yang dipompa oleh pulsa laser 100 fs pada 800 nm dengan laju repetisi 80 MHz. Gelombang terahertz yang dipancarkan kemudian di kolimasi dan difokuskan oleh empat cermin parabola off-axis. Sampel yang diukur diposisikan di titik di mana gelombang terahertz difokuskan dengan diameter sinar sekitar 3 mm. Untuk mengkarakterisasi sepenuhnya status polarisasi gelombang terahertz, dua polarisator terahertz ditempatkan sebelum dan setelah sampel untuk mengontrol polarisasi. Pada akhirnya, gelombang terahertz dideteksi dengan teknik sampling elektro-optik, di mana kristal elektro-optik ZnTe (110) tebal 1 mm digunakan untuk deteksi. Laser probe berasal dari sistem laser yang sama untuk generasi terahertz dengan daya probe 20 mW. Karakterisasi dilakukan pada suhu kamar dengan lingkungan gas nitrogen untuk menghilangkan penyerapan air di wilayah terahertz.
Dekomposisi multipol dilakukan melalui kode Matlab yang dikembangkan dalam rumah. Pertama, distribusi medan listrik Einter ( r ) di dalam pilar silikon elips diekstrak dari hasil simulasi numerik. Kemudian, densitas arus J ( r ) dalam pilar silikon diturunkan sebagai J ( r ) = - iω [ ε ( r ) - ε0 ]Einter ( r ), di mana ω adalah frekuensi sudut, ε0 adalah permitivitas vakum. Selanjutnya, momen multipol arus berbeda dapat diuraikan sebagai:
di mana l adalah orde momen berbeda dan M( l ) adalah tensor dengan peringkat l [19, 24]. Kami menghitung momen multipol arus orde pertama dan kedua, yang sesuai dengan momen dipo dan kuadrupol. Momen orde tinggi lainnya tidak diperhitungkan karena mereka umumnya sangat lemah dan memberikan kontribusi yang dapat diabaikan pada medan yang diserang secara keseluruhan. Berdasarkan momen multipol arus orde pertama dan kedua, koefisien multipol aE ( l ) dan aM ( l ) dapat diperoleh secara langsung. Oleh karena itu, penampang serang dari mode multipol dapat dihitung menggunakan persamaan berikut,
