Metasurface Hibrid Silikon-Grafen: Konverter Polarisasi Ultra-Tipis, Sesuaikan dengan Efisiensi 96%

Abstrak

Kami menyajikan pita gelombang kuarter yang dioptimalkan secara numerik yang mengeksploitasi metasurface hibrid silikon-grafen untuk mencapai konversi polarisasi linier-ke-sirkular dengan tingkat 96% di dekat inframerah. Dengan menyisipkan monolaier grafen di antara antena silikon silang dan substrat silika, resonansi mode magnetis yang terperangkap dirancang untuk menghasilkan faktor Q yang tinggi dan jendela transmisi yang diperluas dibandingkan dengan sejenis dielectric. Birefringensi dapat disesuaikan melalui geometri silikon dan tingkat Fermi grafen, memungkinkan perpindahan dinamis dari tangan cahaya yang diserakkan melalui bias gate eksternal. Struktur ini ultra tipis, bebas kerugian, dan kompatibel CMOS, menjadikannya ideal untuk sensor optik terintegrasi.

Latar Belakang

Metasurface dielectric telah muncul sebagai platform yang diinginkan untuk manipulasi optik dengan kehilangan rendah dan efisiensi tinggi, mengungguli sejenis plasonik yang menderita dissipasi radiatif dan ohmik [1, 2]. Silikon, titania, dan silikon nitride mendukung resonansi magnetis dengan serapan minimal, memungkinkan desain perangkat yang menggabungkan faktor Q tinggi dengan performa broadband [7–9]. Kemajuan terbaru dalam resonansi Fano berbasis grafen telah mengurangi kehilangan lebih lanjut dengan mengeksploitasi konduktivitas yang dapat disesuaikan dan mobilitas carrier yang tinggi [10–20]. Sementara pembelah cincang dan elemen sub-panjang gelombang lainnya telah banyak diteliti dalam metasurface plasonik, mereka tetap terbatas oleh kerugian ohmik dan transmitensi rendah [24, 25]. Sebaliknya, meta-perangkat dielectric dapat mencapai efisiensi mendekati 99% dan menunjukkan rasio birefringensi yang tinggi di regime terahertz dan dekat inframerah [26, 27], meskipun mekanisme penyesuaian masih langka. Karya kami memperkenalkan skema birefringensi yang dapat dikontrol yang menggabungkan penyesuaian bias gate grafen dengan geometri struktural untuk mencapai kontrol polarisasi dinamis. Dengan mengintegrasikan monolaier grafen di bawah antena silikon silang, kami menciptakan metasurface hibrid yang memanfaatkan resonansi Mie listrik dan magnetis yang kuat yang terlokal, menghasilkan transmitensi mendekati satu sambil mempertahankan faktor Q tinggi [28–30]. Desain ini mengatasi ketidakcocokan impedansi dan memungkinkan manipulasi fase dan polarisasi yang tepat dalam jejak yang kompak.

Metode

Sel satuan terdiri dari antena silikon silang (εr = 12,25) di atas monolaier grafen (dimasukkan sebagai mesh tebal 1 nm) dan substrat silika (εr = 2,25). Parameter geometri adalah L1 = 450 nm, L2 = 370 nm, h = 110 nm, W = 60 nm, dengan periodisitas Px = 600 nm dan Py = 560 nm (Gambar 1a). Kondisi batas periodik dan lapisan cocok sempurna diterapkan untuk mensimulasikan array tak terbatas di bawah insiden normal. Koefisien transmisi Txx dan Tyy diekstrak dari medan listrik yang diserakkan, sedangkan keterlambatan fase ΔΦ = Φxx – Φyy dihitung 1,2 µm di atas metasurface. Konduktivitas grafen σ = σI + σD dihitung menggunakan pendekatan fase acak, dengan energi Fermi EF = ħνF(πns)½ dan laju pencaran τ ≈ 0 (transisi interband dominan pada dekat-IR). Ekspresi rinci untuk komponen permittivitas nyata dan imajiner ε′g dan ε″g diberikan dalam persamaan (2) dan (3). Simulasi elemen hingga dilakukan dalam COMSOL Multiphysics untuk mengevaluasi respons optik di seluruh rentang energi Fermi (0–0,8 eV) dan dimensi silikon.

Hasil dan Pembahasan

Kontrol Birefringensi Melalui Energi Fermi dan Dimensi Struktural

Simulasi struktur dielectric tanpa grafen mengungkapkan resonansi tajam, faktor Q tinggi pada λ = 1,49 µm, yang didorong oleh mode magnetis yang terperangkap (Gambar 2a). Distribusi medan menunjukkan medan listrik dalam bidang yang anti-paralel yang menghasilkan interferensi destruktif di antara dipol listrik dan magnetik (Gambar 2b,c). Pengenalan grafen di antara silikon dan silika mengurangi arus perpindahan, mengurangi faktor Q, dan memindahkan resonansi ke λ = 1,50 µm (Gambar 3b). Dengan memvariasi EF, intensitas resonansi dapat diatur: grafen tidak terdoping (EF = 0 eV) menunjukkan respons terkuat, sementara doping yang lebih tinggi menekan serapan melalui blokir Pauli, menghasilkan respons grafen yang lebih induktif (Gambar 3c). Menyesuaikan parameter asimetri L2 memodulasi kopling antara mode magnetis dan listrik. Pada L2 ≈ 410 nm simetri terpecah, memisahkan mode dan memungkinkan perbedaan fase 90° di antara medan transmisi yang terpolarisasi x dan y (Gambar 4a). Ketika L2 diatur ke 365 nm atau 450 nm, bandwidth fase tetap dalam ±10° untuk RCP dan LCP, masing-masing (Gambar 4c). Selain itu, penyesuaian EF dari 0 ke 0,8 eV mengontrol bandwidth fase, mencapai ΔΦ ≈ 90° pada λ = 1,49 µm untuk EF = 0,8 eV (Gambar 4d). Parameter Stokes mengonfirmasi polarisasi sirkular yang sempurna pada λ = 1,5 µm (|S3|/S0 ≈ 1). Rasio konversi polarisasi (PCR) mencapai puncak 96% untuk RCP dan 90% untuk LCP dalam rentang 1,48–1,51 µm, turun menjadi 80% pada 1,52 µm (Gambar 5c). Perangkat menunjukkan sedikit sensitivitas terhadap sudut polarisasi insiden, mempertahankan rasio amplitudo yang mendekati satu dan pergeseran fase 90° di seluruh rentang sudut yang luas (Gambar 5d). Peta retardasi fase di seluruh periodisitas Px dan Py menunjukkan bahwa kondisi pita gelombang kuarter terjadi di sepanjang garis diagonal di mana Px dan Py berbanding terbalik, sambil mempertahankan transmitensi di atas 80% (Gambar 6a,b). Penyesuaian ini menawarkan rute yang sederhana untuk menyesuaikan metasurface untuk jendela panjang gelombang tertentu.

Pergantian Birefringensi Melalui Bias Tegangan Gate

Dengan menyematkan elektroda gate di seluruh arah y dari tumpukan silikon/grafen (Gambar 7a), tingkat Fermi dapat dimodulasi melalui tegangan gate Vg. Kapasitansi per satuan luas C = εsiε0/Px menghubungkan Vg ke densitas carrier ns = CVg/e, yang selanjutnya menyesuaikan EF. Hasil simulasi menunjukkan bahwa pada λ = 1,5 µm, bias maju +47,5 V membalikkan cahaya yang diserakkan dari RCP ke LCP, sementara bias mundur –47,5 V menghasilkan tangan yang berlawanan (Gambar 7b-c). Retardasi fase bervariasi non-linear dengan Vg, yang mencerminkan perubahan konduktivitas grafen. Spektrum parameter Stokes mengonfirmasi bahwa |S3| mendekati satu (>90%) untuk kedua status logika di seluruh 1,49–1,52 µm (Gambar 7d). Peta fase Ez pada λ = 1,5 µm menggambarkan rotasi mode magnetis yang terperangkap saat Vg dibalik, memberikan gambaran visual yang jelas tentang mekanisme perpindahan (Gambar 8a-b).

Kesimpulan

Kami telah merancang metasurface hibrid silikon-grafen yang berfungsi sebagai pita gelombang kuarter yang kompak dan efisien tinggi dengan birefringensi yang dapat disesuaikan. Dengan menyesuaikan geometri silikon atau menerapkan bias gate, perangkat dapat secara dinamis mengonversi polarisasi linier insiden menjadi polarisasi sirkular kanan atau kiri dengan efisiensi >96% dalam band 1,45–1,54 µm. Profil ultra tipis, tidak ada kerugian plasonik, dan kompatibilitas dengan pembuatan standar CMOS membuat struktur ini merupakan kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi sensor fotonik on-chip dan komunikasi optik.