Pemisah Sinar Polaritas Cahaya Visible Efisiensi Tinggi dengan Metasurface Dielektrik Semua
Abstrak
Kami menyajikan metasurface gradien dielektrik semu yang terdiri dari array periodik blok nanoblock berbentuk salib silikon pada substrat silika fused yang berfungsi sebagai pemisah sinar polaritas dalam spektrum visible. Dengan merancang dua gradien transmisi-fase yang berlawanan di arah x untuk cahaya linear x- dan y-polarisir, metasurface mengarahkan kedua polarisasi ortogonal ke sudut simetrik di kedua sisi sinan insiden pada bidang x–z. Untuk polarisasi insiden 45°, komponen transmisi x- dan y-polarisir menunjukkan intensitas hampir sama di seluruh 579–584 nm. Perangkat menawarkan solusi kompak dan tipis untuk sistem optik ruang bebas yang membutuhkan pemisahan polaritas berkeluasan tinggi.
Pendahuluan
Metasurface—array dua dimensi nanoantenna sub-panjang gelombang—telah muncul sebagai platform yang kuat untuk memanipulasi fase, amplitudo, dan polarisasi cahaya dengan profil tipis. Dibandingkan optik bulk, metasurface memungkinkan perangkat kompak, rendah kehilangan, dan lebih mudah diproduksi. Mereka telah mengaktifkan konverter polaritas, holografi, lensa datar, dan pemisah spektrum.
Metasurface logam asli mencapai defleksi sinar melalui dua resonansi fase π atau fase geometris, namun serapan intrinsiknya membatasi efisiensi transmisi. Metasurface dielektrik semu, terutama berbasis silikon, menghindari kehilangan ini dan menawarkan beberapa jalur untuk kontrol fase 2π penuh: fase geometris, resonansi Mie yang tumpang tindih (metasurface Huygens), dan resonansi Fabry–Pérot pada antena rasio aspek tinggi. Dalam karya ini, kami mengeksploitasi pendekatan terakhir, memperlakukan setiap blok silikon sebagai gelombang terpangkas yang indeks efektifnya mengatur fase transmisi.
Pemisah sinar polaritas (PBS) sangat penting dalam banyak arsitektur optik. Desain PBS yang ada menggunakan gratis sub-panjang gelombang, pengikat hibrid plasmonik, atau struktur interferensi multimode. Di sini kami mengusulkan PBS sederhana, sudut besar, yang dibangun dari array silikon berbentuk salib yang mencapai pemisahan daya sama untuk polarisasi insiden 45°, beroperasi secara efisien pada panjang gelombang visible.
Metode
Gambar 1 mengilustrasikan tata letak metasurface: lattice persegi blok silikon berbentuk salib (tinggi 260 nm) beristirahat pada substrat silika indeks 1,45. Konstanta lattice adalah Px = Py = 200 nm. Simulasi FDTD tiga dimensi (batas periodik di x dan y, lapisan cocok sempurna di sepanjang z) memodelkan gelombang pesawat insiden normal dari bawah.
Setiap blok salib setara dengan dua bar silikon ortogonal: satu dengan lebar tetap w (70 nm) dan panjang bervariasi di sepanjang sumbu polarisasi insiden. Untuk insiden y-polarisir, panjang Ly (60–200 nm) menyesuaikan fase transmisi sambil mempertahankan w yang konstan. Demikian pula, untuk insiden x-polarisir, panjang Lx bervariasi. Empat sel unit diskrit (lihat Gambar 2) mencakup rentang fase 0–2π dengan langkah fase ±π/2 antara sel yang berdekatan, menciptakan gradien fase berlawanan untuk kedua polarisasi.
Konfigurasi skematik metasurface berbentuk salib yang berfungsi sebagai pemisah sinar polaritas
sudut refraksi anomali ditentukan oleh gradien fase dΦ/dx. Untuk cahaya y-polarisir, dΦ = –π/2; untuk cahaya x-polarisir, dΦ = +π/2. Ini menghasilkan defleksi 46,8° pada 583 nm.
Hasil dan Pembahasan
Simulasi mengonfirmasi defleksi 46,78° yang diprediksi untuk kedua polarisasi. Gambar 3a menunjukkan medan listrik pada bidang x–z untuk insiden x-polarisir, yang cocok dengan sudut teoretis. Intensitas jauh (Gambar 3b) menghasilkan transmisi total 69,7 % dan efisiensi defleksi 63,7 %—dibatasi terutama oleh refleksi antarmuka 12,5 %, serapan silikon 17,8 %, dan urutan difraksi tidak diinginkan 6 %.
Distribusi medan listrik di dekat metasurface pada bidang x–z di bawah a insiden x-polarisir dan c insiden y-polarisir. Distribusi intensitas jauh yang dinormalisasi untuk b insiden x-polarisir dan d insiden y-polarisir cahaya insiden normal. Panjang gelombang operasi adalah 583 nm, dan sudut transmisi didefinisikan sebagai nilai positif (negatif) di sisi kanan (kiri) normal.
Untuk insiden y-polarisir, sudut defleksi adalah –46,78°, dengan efisiensi defleksi 66,4 % dan transmisi total 75,2 %. Mengabaikan serapan silikon, efisiensi dapat mendekati 90 %—sebanding dengan desain PBS metasurface silikon sebelumnya.
Saat gelombang pesawat berpolarisasi linier pada 45° terhadap sumbu x menerangi metasurface, perangkat secara bersamaan mengaktifkan dua resonansi ortogonal, menghasilkan output x- dan y-polarisir dengan intensitas sama. Gambar 4c menampilkan medan listrik yang diekstrak; Gambar 4b menunjukkan intensitas jauh, masing-masing 0,336 dari daya insiden. Jadi, 46,3 % dari total energi transmisi dialirkan ke urutan difraksi +1 dan –1 untuk kedua polarisasi, sedangkan urutan 0 hanya menanggung 7,4 %. Di seluruh 579–584 nm, perbedaan intensitas antara dua output tetap di bawah 2 %, mengonfirmasi pemisahan daya sama broadband.
a Mekanisme kerja perangkat pemisah sinar polaritas yang diusulkan (tampilan depan). b Intensitas jauh yang dinormalisasi. c Distribusi medan listrik transmisi x-polarisir (kiri) dan y-polarisir (kanan) yang diekstrak dari metasurface yang dirancang di bawah insiden normal cahaya berpolarisasi 45° pada panjang gelombang 583 nm.
Efek periodisitas diperiksa dengan mengubah konstanta lattice di arah ortogonal (190–210 nm). Perubahan fase dan transmisi sangat kecil (<0,05π), mengonfirmasi independensi desain dari kopling lintas dan menyederhanakan pembuatan.
Kesimpulan
Kami telah merancang metasurface silikon berbentuk salib dielektrik semu yang berfungsi sebagai pemisah sinar polaritas berkeluasan tinggi pada rentang visible. Perangkat memisahkan cahaya berpolarisasi 45° menjadi komponen x- dan y-polarisir dengan daya sama pada 583 nm dengan sudut defleksi 46,8° dan efisiensi defleksi 63–66 %. Cetakan kompak dan tipisnya serta performa pemisahan daya sama broadband membuatnya menarik untuk diintegrasikan ke dalam sirkuit fotonik optik generasi mendatang.
