Metasurface Silikon Ultra-Efisiensi untuk Pemisah Sinar Polarisasi dan Pembangkit Sinar Vortex pada Panjang Gelombang Telekomunikasi

Abstrak

Studi ini memperkenalkan metasurface dielectric berurutan tinggi yang terdiri dari array nanobrik silikon. Dengan menyesuaikan secara presisi panjang dan lebar brik, perangkat menyediakan dua fase transmisi bertambah yang berbeda untuk cahaya polar linear X (XLP) dan polar linear Y (YLP), mencapai efisiensi transmisi konsisten di atas 88 %. Memanfaatkan kemampuan ini, kami berhasil merancang dua pemisah sinar polarisasi yang beroperasi dalam mode difraksi berurutan tinggi, masing-masing menunjukkan efisiensi transmisi tinggi. Selain itu, dua pembangkit sinar vortex difabrikasi dalam mode difraksi berurutan tinggi, menghasilkan sinar vortex dengan muatan topologi 2 dan 3. Penggunaan metasurface dielectric dalam mode difraksi berurutan tinggi membuka jalan untuk berbagai perangkat optik ultra-efisien.

Latar Belakang

Kemajuan terbaru dalam elektromagnetik telah difokuskan pada kontrol penuh gelombang cahaya, dengan metamaterial muncul sebagai area penelitian penting karena respons optik yang dirancang [1]. Struktur buatan ini telah memungkinkan fenomena seperti refraksi negatif, nol-refraksi, dan cahaya lambat [2-4]. Namun, metamaterial tiga dimensi konvensional menderita kerugian intinsik dan fabrikasi yang kompleks, yang membatasi penerapan praktisnya. Metamaterial dua dimensi, atau metasurface, mengatasi kelemahan ini dengan menawarkan struktur ultralipat dan sub-panjang gelombang yang lebih mudah difabrikasi dan diintegrasikan [5-7]. Metasurface memanipulasi amplitudo atau fase cahaya insiden melalui resonator sub-panjang gelombang, memungkinkan fungsionalitas seperti gelombang tunable, gelombang plate, lensa, refraksi anomali, pembangkit vortex, dan hologram [8-19]. Meskipun metasurface mengungguti samaritan 3D mereka dalam efisiensi, kerugian tetap menjadi khawatir, terutama ketika komponen logam terlibat. Untuk mengatasi ini, metasurface Huygens dan metasurface semua-dielectric telah diajukan. Desain Huygens mengurangi kerugian tetapi masih menghadapi tantangan fabrikasi karena sifat 3D mereka [20]. Metasurface semua-dielectric, dengan melengkungan resonansi listrik dan magnetik pada frekuensi yang sama, mencapai kontrol fase penuh 0–2π dengan efisiensi transmisi tinggi [21-27]. Namun, sebagian besar perangkat yang telah divisualisasikan beroperasi dalam urutan difraksi pertama atau kedua; mode difraksi urutan tinggi masih belum dijelajahi, terutama karena efisiensi rendah yang disebabkan oleh kerugian logam [28-32]. Dalam karya ini, kami menyajikan metasurface semua-dielectric yang mampu memanipulasi gelombang muka dalam mode difraksi urutan tinggi sambil mempertahankan efisiensi transmisi di atas 88 %. Menggunakan platform ini, kami merancang dua pemisah sinar polarisasi yang memisahkan polarisasi ortogonal ke arah yang berbeda dengan efisiensi tinggi, dan dua pembangkit sinar vortex yang menghasilkan muatan topologi 2 dan 3, menunjukkan keberagaman kontrol difraksi urutan tinggi.

Metode

Desain metasurface diilustrasikan dalam Gambar 1a. Ini terdiri dari nanobrik silikon kristal tebal 900 nm yang difabrikasi pada substrat SiO₂ tebal 200 nm (indeks refraksi 3,48 dan 1,48, masing-masing). Indeks refraksi tinggi silikon memberikan resonansi yang kuat dengan kerugian ohm minimal, dan fabrikasinya dapat direalisasikan melalui teknik semiconductor matang seperti litografi aliran elektron (EBL) dan pemolesan ion terfokus (FIB). Substrat SiO₂ dipilih untuk menekan refleksi dan serap pada panjang gelombang telekomunikasi target 1500 nm. Konstanta jaringan S = 650 nm diadopsi. Kontrol fase transmisi diatur oleh dimensi nanobrik sepanjang sumbu X dan Y. Simulasi numerik dilakukan menggunakan metode domain waktu beda hingga (FDTD), dengan lapisan cocok sempurna (PML) di atas dan bawah dan kondisi batas periodik (PBC) secara lateral. Panjang gelombang operasi yang dipilih adalah 1500 nm. Gambar 1a–d menunjukkan efisiensi transmisi co-polar dan variasi fase untuk cahaya XLP dan YLP sebagai fungsi dimensi nanobrik (a = lebar, b = panjang). Simulasi mengungkapkan bahwa, untuk sebagian besar geometri, transmisi co-polar melebihi 88 %, sementara fase dapat disetel di seluruh rentang 0–2π. Simetri struktur memastikan performa yang serupa untuk kedua polarisasi, memungkinkan kontrol fase independen untuk XLP dan YLP dengan menyesuaikan a dan b, masing-masing.

Hasil dan Pembahasan

Desain Pemisah Sinar Polarisasi

Kontrol polarisasi pada chip sangat penting untuk fotonika terintegrasi. Pemisah sinar polarisasi (PBS) yang kami usulkan mengeksploitasi respons fase yang berbeda untuk cahaya XLP dan YLP, memungkinkan pemisahan menjadi dua sinar yang berbeda secara spasial dengan efisiensi tinggi.

Setiap PBS dibangun dari 13 nanobrik yang disusun dalam sel super. Dengan memdiskretisasi fase pada 0–2π untuk cahaya XLP dan 2π–0 untuk cahaya YLP dengan langkah ±2π/13, kami mencapai gradien fase berurutan tinggi. Dimensi lateral 13 brik tercantum dalam Gambar 2a. Pengurutan ulang brik ini menghasilkan mode difraksi berurutan yang lebih tinggi: mode urutan ketiga (M₃) mencakup 0–3×2π, sementara mode urutan kelima (M₅) mencakup 0–5×2π. Pengaturan ulang sederhana ini memperluas cakupan fase secara proporsional dengan urutan difraksi.

Simulasi PBS di bawah iluminasi linier 45° mengonfirmasi desain. Ekstraksi medan XLP dan YLP (Gambar 3a) menunjukkan gelombang muka yang berbeda dengan sudut difraksi puncak -10,2° (XLP) dan +10,2° (YLP). Efisiensi co-polar yang sesuai adalah 85,9 % (XLP) dan 88,4 % (YLP). Sudut difraksi cocok dengan prediksi hukum Snell umum (±10,22°), memvalidasi kemampuan pengendalian sinar berurutan tinggi dan mengonfirmasi bahwa hampir semua cahaya insiden ditransmisikan dengan refleksi minimal.

Untuk PBS berurutan lebih tinggi, sudut difraksi teoretis M₃ dan M₅ adalah ±32,18° dan ±62,56°, masing-masing. Gambar 4a–d mengilustrasikan gelombang muka yang terdefinisi dengan baik dan mengonfirmasi sudut ini. Efisiensi co-polar menurun secara modest menjadi 82–84 % (urutan ketiga) dan 73,5–78,4 % (urutan kelima), terutama karena kopling antara brik dengan geometri yang berbeda. Namun, metasurface mempertahankan transmisi tinggi dalam semua mode berurutan tinggi.

Desain Pembangkit Sinar Vortex Optik

Sinar vortex optik, yang ditandai dengan gelombang muka helis dan momentum sudut orbita lℏ, menemukan aplikasi dalam litografi, perangkap, dan komunikasi [37-44]. Untuk menghasilkan sinar vortex, kami menyusun 13 brik M₁ menjadi 13 sektor azimutal, menciptakan rampa fase kontinu 2π/13 di sekitar lingkaran. Gambar 6a menunjukkan profil intensitas dari sinar vortex l = 1 yang dihasilkan, dengan null pusat dan lompatan fase 2π dari –π hingga π.

Untuk mencapai muatan topologi yang lebih tinggi, kami memodifikasi langkah fase antara brik bersebelahan menjadi 4π/13 (l = 2) dan 6π/13 (l = 3), menghasilkan M₂ dan M₃. Profil intensitas yang dihasilkan (Gambar 6b,c) dan peta fase (Gambar 6e,f) menunjukkan dua dan tiga lompatan fase 2π yang jelas, respectively. Penggantian polarisasi insiden dari XLP ke YLP membalik arah heliks sambil mempertahankan pola intensitas, karena respons fase yang simetris. Ini menunjukkan bahwa metasurface kami dapat menghasilkan urutan vortex sembarang dengan konfigurasi ulang brik yang sederhana.

Kesimpulan

Kami telah merancang metasurface dielectric yang terdiri dari array nanobrik silikon periodik yang memberikan cakupan fase penuh 0–2π dengan efisiensi transmisi yang melebihi 88 % pada panjang gelombang telekomunikasi 1500 nm. Memanfaatkan properti ini, kami telah merealisasikan pemisah sinar polarisasi berurutan tinggi yang memisahkan polarisasi ortogonal ke arah yang berbeda dengan efisiensi tinggi, dan pembangkit sinar vortex optik yang menghasilkan muatan topologi hingga 3 dalam mode difraksi berurutan tinggi. Kesederhanaan desain—memodifikasi dimensi dan pengaturan brik—memudahkan fabrikasi cepat dan membuka jalan untuk kelas baru perangkat fotonik ultra-efisien.