Lebar Gelombang Triwulan Transmisi Ultrathin Broadband dengan Array Lubang Persegi Panjang Berdasarkan Resonansi Plasmonic
Abstrak
Kontrol keadaan polarisasi cahaya memainkan peran penting dalam sistem optik modern. Namun, perangkat manipulasi polarisasi tradisional sering kali memiliki bandwidth yang sempit dan ukurannya yang besar membuat perangkat tersebut sulit untuk mencapai miniaturisasi dan integrasi sistem optik. Karya ini menyajikan pelat gelombang seperempat ultra tipis dengan lapisan film perak periodik 2 × 2 lubang persegi panjang dengan ketebalan kurang dari /50. Simulasi numerik menunjukkan bahwa pelat gelombang dapat secara efisien mengubah gelombang terpolarisasi melingkar menjadi gelombang terpolarisasi linier di pusat 1550 nm, dan bandwidthnya adalah 525 nm. Selanjutnya, pelat gelombang seperempat secara efisien dapat membalikkan polarisasi linier menjadi polarisasi melingkar pada 1550 nm, yang eliptisitasnya mendekati satuan. Dengan susunan lubang kecil pada film logam untuk meningkatkan transmisi, struktur ini dapat meningkatkan transmisi menjadi 0,44. Pelat gelombang seperempat broadband dapat digunakan dalam sistem komunikasi dan sistem pita inframerah dekat, dan diintegrasikan dengan perangkat optik lain pada skala nano untuk mencapai operasi polarisasi, deteksi, dan penginderaan.
Pengantar
Ada minat yang meningkat dalam memanipulasi polarisasi cahaya dalam berbagai aplikasi optik, seperti polarisasi, pelat gelombang, dan lensa. Di antaranya, pelat gelombang merupakan komponen fotonik yang penting karena dapat menimbulkan perbedaan fase tertentu, seperti /2 dan , untuk menghasilkan cahaya terpolarisasi yang berbeda untuk mencapai pelat gelombang seperempat atau setengah. Desain pelat gelombang tradisional menggunakan birefringence kristal untuk memaksakan fase yang berbeda pada cahaya yang datang. Namun, efek birefringence sangat lemah pada kristal alami, menghasilkan pelat gelombang yang memiliki ketebalan beberapa ratus mikron. Komponen optik berukuran besar sering mengalami kesulitan dalam integrasi dan kedalaman modulasi fase [1,2,3,4]. Dalam beberapa tahun terakhir, munculnya nanophotonics telah membuka arah baru untuk mempelajari interaksi antara cahaya dan materi. Khususnya, perangkat nanofotonik (ketebalan sekitar puluhan nanometer) dapat menembus batas difraksi tanpa interferensi elektromagnetik. Ini memiliki potensi besar dalam menggantikan perangkat skala besar. Di antara mereka, perangkat nanofotonik berdasarkan metasurface telah menarik lebih banyak perhatian. Perkembangan teori metasurface dan teknologi fabrikasi memungkinkan untuk mengembangkan perangkat nano [5].
Metasurfaces adalah struktur planar yang secara lokal memodifikasi polarisasi, fase, dan amplitudo cahaya dalam refleksi atau transmisi, sehingga memungkinkan komponen optik datar berpola litografi dengan fungsi yang dikendalikan oleh desain. Biasanya memiliki ketebalan kurang dari panjang gelombang. Dalam proses transmisi atau refleksi, metasurfaces anisotropik menghasilkan fase dan amplitudo yang berbeda sesuai dengan gelombang TE dan TM, yang memberikan fleksibilitas besar untuk desain metasurfaces fungsional. Kita dapat menggunakan ini untuk mendesain seperti lensa, pelat fasa, pelat gelombang, polarizer, beam-splitter, generator berkas vektor arbitrer dan sebagainya [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17].
Pelat gelombang seperempat permukaan metasurface berdasarkan resonansi plasmon adalah salah satu hotspot dalam beberapa tahun terakhir [18,19,20,21,22,23,24], dan literatur waktu yang diterbitkan menunjukkan kemajuan berkelanjutan di bidang ini. Pada tahun 2011, Zhao dkk. merancang dan mempelajari kinerja susunan nanorod perak memanjang ortogonal sebagai pelat gelombang seperempat pita lebar. Hal ini dapat memperkenalkan pergeseran fasa 90 ° di atas ketebalan 60 nm [25]. Terinspirasi oleh prinsip Babinet, pada tahun 2013, kelompok yang sama merancang seperempat lempeng gelombang nano, dan mencapai konversi polarisasi melingkar-ke-linear (CTL) di wilayah cahaya tampak. Ketebalan lapisan logam dikurangi menjadi 40 nm [26]. Dua desain di atas memiliki pita lebar dari polarisasi CTL. Namun, sulit untuk mencapai amplitudo yang sama dari dua balok terpolarisasi ortogonal. Segera setelah karya perintis Zhao et al., pada 2012, Roberts et al. mengusulkan pelat gelombang seperempat dengan susunan periodik lubang berbentuk silang dalam film perak. Efisiensi transmisi dan fase (untuk lebar lengan tetap) dari pelat gelombang peka terhadap panjang lengan terkait. Konversi dari polarisasi linear-to-circular (LTC) dicapai pada beberapa panjang gelombang diskrit 710-760 nm, dan ketebalan film perak adalah 140 nm [27]. Itu dapat mencapai polarisasi LTC dengan baik, tetapi panjang gelombangnya tetap pada panjang gelombang tertentu saja, dan lapisan logamnya relatif tebal. Demikian pula berdasarkan anisotropi yang disebabkan oleh panjang lengan dalam arah ortogonal, pada tahun 2013, Yang et al. mengusulkan pelat gelombang seperempat yang terdiri dari susunan planar periodik antena plasma berbentuk L simetris. Elipsitas cahaya yang ditransmisikan dapat mencapai 0,994 pada 1550 nm. Bandwidth dengan eliptisitas lebih besar dari 0,9 adalah 80 nm [28]. Polarisabilitas melingkar pelat gelombang hampir menyatu, namun bandwidthnya, tidak ideal. Dengan hati-hati merancang nanoantena di superuint, pada tahun 2015, Li et al. mencapai pelat gelombang seperempat yang terdiri dari susunan nanorod emas setebal 20 nm. Secara teoritis dapat mewujudkan konversi dari polarisasi CTL dan membalikkan transformasi sekitar 1550 nm. Polarisabilitas melingkar adalah 0,67, dan efisiensi transmisi adalah 0,4 [29]. Struktur ultra tipis dapat mewujudkan polarisasi CTL dalam pita lebar, tetapi elips (rasio amplitudo) polarisasi LTC pada 1550 nm rendah. Selanjutnya, pada tahun 2017, Zhu et al. mengusulkan pelat gelombang seperempat array anulus persegi panjang yang rusak. Ini dibentuk oleh dua pasang celah dengan orientasi tegak lurus yang tertanam dalam film perak setebal 10 nm. Ini memiliki bandwidth polarisasi CTL 120 nm. Juga, waveplate dapat mencapai transformasi LTC dengan polarisasi sirkular 0,97, dan efisiensi transmisi 0,4 pada 1550 nm [30]. Ini mencapai konversi polarisasi tinggi dengan mengorbankan bandwidth.
Melalui contoh-contoh di atas, umumnya, sebagai pelat gelombang seperempat transmisi mini ideal yang digunakan dalam pita komunikasi, ia harus memiliki karakteristik berikut:pertama, ia dapat mewujudkan konversi dari polarisasi CTL (polarisasi LTC) dalam pita lebar. Kedua, dapat mencapai polarisasi melingkar dekat unit pada 1550 nm. Ketiga, transmisi keseluruhan harus setinggi mungkin (transmisi maksimum pelat gelombang seperempat ultra tipis tanpa kehilangan harus 0,5 dihitung oleh teori penerimaan permukaan). Keempat, harus sangat tipis dan hemat biaya. Namun untuk saat ini, sebagian besar masih berupa desain teoritis, dan hanya sedikit eksperimen yang telah dilakukan. Karena rasio tinggi dan lebar terlalu tinggi, atau parameter struktural terlalu sensitif terhadap kesalahan, dll., hal itu akan mempengaruhi kinerja pelat gelombang seperempat yang sebenarnya.
Berdasarkan empat karakteristik di atas, kami mengusulkan pelat gelombang seperempat transmisi yang digunakan dalam pita komunikasi. Sel satuan terdiri dari film perak berlubang setebal 27 nm dan substrat silika. Desain empat lubang menghindari kerugian bandwidth sempit resonator tunggal. Mereka dapat meningkatkan plasmon permukaan yang terlokalisasi, sehingga meningkatkan anisotropi fase untuk memperkenalkan pergeseran fase yang tiba-tiba, dan sebagian besar mengurangi ketebalan lapisan logam. Selanjutnya, waveplate dapat mencapai perbedaan fasa 90° dalam bandwidth 525 nm. Khususnya, polarisasi sirkular mendekati unit dengan efisiensi transmisi 0,44 pada 1550 nm.
Metode
Gambar 1 secara skematis menggambarkan sel satuan dari pelat gelombang seperempat plasmonik yang diusulkan, film perak penggali lubang yang ditempatkan pada substrat silika. Empat lubang persegi panjang disusun dalam dua baris dan dua kolom. Pelat gelombang direndam dalam lingkungan udara dengan indeks bias n =1. Silika diasumsikan nondispersif (\( {\varepsilon}_{SiO_2}=1,47 \)), dan permitivitas perak dijelaskan oleh model Drude [25]:
Skema pelat gelombang seperempat. Lampu biasanya datang dari bawah. a Tampilan 3D dari pelat gelombang seperempat. b Tampilan atas struktur unit
dimana ε∞ =5, fp =2.175 PHz, dan γ =4.35THz. Ketebalan substrat silika dan film perak ditetapkan pada H1 =30 nm dan H2 =27 nm, periode satuannya adalah Px =1200 nm dan Py =500 nm, panjang dan lebar film perak adalah Lx =450 nm dan Ly =480 nm, masing-masing. Dimensi internal lubang Wy =80 nm tetap, dan panjangnya Wx adalah variabel. Bagian tengah lubang adalah x =±75 nm, y =±110 nm. Simulasi numerik dilakukan dengan metode tiga-dimensi finite-difference time-domain (FDTD), di mana kondisi periodik diterapkan dalam x- dan y- arah, dan lapisan yang sangat cocok digunakan di sepanjang z- arah untuk memastikan bahwa penyerapan lengkap eksitasi cahaya tanpa refleksi. Gelombang bidang biasanya datang dari bawah substrat dalam wilayah panjang gelombang 1000-2000 nm. T adalah transmisi total yang dinormalisasi, dan transmisi dalam x- dan y -arah adalah Tx dan Ty , masing-masing. Kami pertama-tama mempertimbangkan karakteristik transmisi dari metasurface planar ultra tipis dengan ketebalan subwavelength dλ0 ditempatkan di pesawat z =0. Transmisi dapat dinyatakan dengan sederhana menggunakan matriks Jones:
dimana Tij mewakili amplitudo kompleks dari gelombang yang ditransmisikan, terpolarisasi linier di i arah eksitasi di j arah. Jadi, Bxx dan Tyy adalah koefisien transmisi kopolarisasi, dan Txy dan Tyx adalah koefisien transmisi polarisasi silang. Pertimbangkan gelombang bidang masuk yang merambat di sepanjang +z -arah, medan listrik dapat dinyatakan sebagai:
dimana ω mewakili frekuensi, k adalah vektor gelombang, dan Ix , Akuy adalah amplitudo kompleks. Matriks I =\( \left(\begin{array}{c}{I}_x\\ {}{I}_y\end{array}\right) \) menentukan keadaan polarisasi dan intensitas total gelombang. Ketika cahaya terpolarisasi linier datang secara normal pada sudut polarisasi 45° ke x- sumbu, ∣ Akux =|Sayay =\( \frac{1}{\sqrt{2}} \). Medan listrik yang ditransmisikan dapat digambarkan sebagai:
Untuk media yang tidak memiliki efek konversi polarisasi linier (Txy dan Tyx sama dengan nol [25, 27]), medan yang ditransmisikan dapat dinyatakan sebagai [16]:
Beda fase adalah △φ =y- x antara koefisien transmisi Txx dan Tyy . Untuk pelat gelombang seperempat, △φ harus sama dengan (2 m + 1)π/2 , di mana m adalah bilangan bulat.
Hasil dan Diskusi
Pergeseran fase simulasi φx , φy dan ada perbedaan ditunjukkan pada Gambar. 2a. △φ turun tajam pada 1200 nm dan akhirnya stabil di sekitar △φ =90°. Kurva transmitansi dan perbedaan fasa dekat 1550 nm ditunjukkan pada Gambar. 2b. Secara umum, seperempat pelat gelombang dengan beda fasa 90° ± 5° dapat dianggap bekerja secara normal. Untuk 1328 nm, △φ =95°, dan untuk 1853 nm, △φ =85 °, itu berarti dalam bandwidth inframerah dekat 525 nm, desain kami dapat mewujudkan konversi dari polarisasi sirkular ke polarisasi linier. Ini sangat baik dalam bandwidth yang dipublikasikan saat ini dari pelat gelombang seperempat inframerah dekat.
Hasil simulasi dari struktur yang diusulkan. a Fase Tx , Ty dan ada perbedaan saat Wx =100 nm. b Transmisi T , Tx dan Ty , dan beda fasa kedua lampu transmisi. cTx dan Ty melengkung saat Wx perubahan. Gambar kecil adalah diagram rinci dekat 1550 nm. Ini menunjukkan tren variasi Tx , Ty , transmisi total T , dan beda fase pada panjang gelombang komunikasi
Ukuran yang diubah Wx lubang memiliki efek yang berbeda pada x- dan y- polarisasi. Gambar 2c menggambarkan transmitansi ketika Wx perubahan. Puncak Ty dan puncak yang sangat tajam dari Tx pada 1200 nm terkait dengan Px =1200 nm. Syarat terjadinya anomali Wood adalah λ =p( dosaθi+ 1) [31, 32] dan θi adalah 0 untuk gelombang datang normal; oleh karena itu, puncaknya terjadi ketika λ =Px . Juga, dengan penurunan Py , lembah Tx bergeser ke arah panjang gelombang pendek, dan Ty bergerak menuju arah panjang gelombang yang panjang, menghasilkan perubahan panjang gelombang dan transmitansi yang sesuai dengan perpotongan kedua kurva. Selain itu, gambar kecil menunjukkan persimpangan Tx dan Ty ketika Ax berubah dari 50 menjadi 100 nm. Artinya elips |Ty |/|Tx | =1, sehingga struktur yang diusulkan dapat mewujudkan konversi pelat gelombang seperempat dari polarisasi LTC. Efisiensi sekitar 0,44, yang mendekati transmitansi ideal 0,5 dibuktikan dengan metode masuk permukaan dalam literatur sebelumnya [28]. Terlebih lagi, ketika lebar aperture Wx ditingkatkan dari 50 menjadi 100 nm, panjang gelombang operasi digeser dari 1518 (transmisi sekitar 0,43) menjadi 1550 nm (transmisi sekitar 0,44). Ini berarti pekerjaan yang diusulkan memiliki ketahanan yang baik, dan bermanfaat untuk persiapan eksperimental.
Kami secara numerik menganalisis resonansi dipol listrik dan magnet (ED dan MD) di bawah x-pol. dan y-pol. di W . yang berbeda x . Dapat dilihat dari Gambar 3a, b bahwa hampir tidak ada resonansi MD dalam dua arah polarisasi dan terdapat resonansi ED pada 1550 nm untuk x- polarisasi dan 1600 nm untuk y- polarisasi. Gambar 3c menunjukkan intensitas dan arah medan listrik di bawah x-pol. insiden (λ =1550 nm) dan Gambar 3d untuk y-pol. (λ =1600 nm). Resonansi ED dapat dilihat dari arah yang ditunjukkan oleh panah vektor. Perubahan Wx memiliki sedikit efek pada resonansi dipol x-pol. , tapi y-pol. relatif terpengaruh. Dengan mengubah rentang anomali Wood dan posisi dipol listrik, transmisi, fase, dan polarisasi desain kami dapat dikontrol dengan lebih baik. Hal ini memungkinkan kami memperoleh kinerja pelat gelombang seperempat yang lebih baik dalam pita inframerah dekat. Hal ini juga memberikan ide baru untuk desain waveplate metasurface [33,34,35,36,37,38,39,40,41].
a Intensitas resonansi ED. b Intensitas resonansi MD. c, d Intensitas medan listrik dan vektor x-pol. dan y-pol. insiden, masing-masing
Untuk memeriksa pita operasi pelat gelombang seperempat dan kinerja pada panjang gelombang komunikasi sekitar 1550 nm, kami membagi perbandingan menjadi empat bagian (ditunjukkan pada Tabel 1):polarisasi melingkar pada 1550 nm, efisiensi transmisi pada 1550 nm, ketebalan dan bandwidth dari polarisasi sirkular ke polarisasi linier dapat dicapai.
Kolom pertama dari Tabel 1 adalah tampilan atas (dua dimensi) dari struktur, yang hanya berupa diagram skematik, dan tidak menunjukkan ukuran dan proporsi tertentu. Bahan hanya ditunjukkan pada gambar. Kolom kedua adalah lebar pita struktur sebagai pelat gelombang seperempat, di mana polarisasi melingkar dapat diubah menjadi polarisasi linier, dan rentang perbedaan fase adalah 90° ± 5 °. Kolom ketiga adalah eliptisitas transmisi polarisasi LTC pada 1550 nm, dan elipisitas |Ty |/|Tx |. Kolom keempat adalah panjang gelombang yang sesuai ketika elips |Ty |/|Tx | =1, dan △φ =y-φx=(2 m + 1) × 90° secara bersamaan, di mana m adalah bilangan bulat. Kolom kelima adalah ketebalan lapisan logam setiap pelat gelombang seperempat dan silika adalah satu-satunya bahan lainnya. Hasil dari semua artikel di atas adalah dari simulasi, menggunakan FEM, FDTD, dan sebagainya.
Kinerja lima struktur yang bekerja pada bandwidth komunikasi pada Tabel 1a, d, e, f, dan g disajikan sebagai grafik batang. Mereka mewakili nanorods, berbentuk L, susunan anulus persegi panjang yang rusak, susunan nanorod emas satu lapis, dan dua kali dua struktur film perak berlubang persegi panjang, masing-masing. Polarisabilitas melingkar dan efisiensi transmisi dari pelat gelombang seperempat yang berbeda pada 1550 nm ditunjukkan pada Gambar. 4a, dan ketebalan lapisan logam masing-masing dan bandwidth kerja ditunjukkan pada Gambar. 4b. Untuk kenyamanan, kami menormalkan ketebalan dan bandwidth, yang didasarkan pada ketebalan logam (27 nm) dan bandwidth operasi (525 nm) yang diusulkan dalam pekerjaan ini.
Perbandingan karakteristik struktur yang disebutkan pada Tabel 1a, d, e, f, dan g. a Elipsitas polarisasi LTC dan transmisi total pada 1550 nm. b Ketebalan logam yang dinormalisasi, dan lebar pita polarisasi CTL yang dinormalisasi, berdasarkan struktur yang diusulkan g
Dengan membandingkan lima struktur yang disebutkan di atas, kami menemukan bahwa, meskipun struktur a memiliki efisiensi transmisi tertinggi dan pita lebar, sama sekali tidak mungkin untuk mencapai polarisasi melingkar pada 1550 nm, dan memiliki ketebalan yang sangat besar. Struktur d memiliki polarisasi sirkular tertinggi, efisiensi transmisi tinggi, dan ketebalan menempati urutan kedua dari lima, tetapi bandwidthnya sangat sempit. Desain ini dapat mencapai polarisasi CTL dan LTC dengan baik pada 1550 nm, tetapi tidak cocok untuk pelat gelombang seperempat dengan bandwidth besar. Pelat gelombang ultra tipis e dan f memiliki ketebalan 10 nm yang sama, dan efisiensi transmisi terendah yang sama. Namun, di bawah perbandingan polarisasi sirkular, kinerja e lebih baik daripada f, dan bandwidth, f jauh lebih baik daripada e. Meskipun struktur f memiliki pita terluas, tiga indikator lainnya semuanya terburuk, dan tidak mungkin untuk mencapai polarisasi melingkar pada 1550 nm. Struktur g tidak hanya mewujudkan transformasi LTC/CTL secara efisien dan sempurna, tetapi juga memiliki karakteristik ketebalan kecil dan pita kerja lebar. Ini adalah hasil dari menimbang kinerja yang diperlukan dari pelat gelombang seperempat. Menggabungkan teknologi pemrosesan nano yang ada dengan literatur yang diterbitkan, kami menemukan bahwa pelat gelombang seperempat kami dapat disiapkan secara eksperimental. Secara umum, kita dapat menyelesaikan percobaan dalam tiga langkah:pertama, pola berbentuk persegi panjang didefinisikan pada lapisan penahan ZEP520 dengan litografi berkas elektron (EBL) pada substrat silika; kedua, susunan struktur pelengkap supercell seperempat gelombang diperoleh dengan paparan berkas elektron; ketiga, lapisan perak tipis diendapkan oleh penguapan berkas elektron; langkah terakhir, singkirkan material yang tidak diinginkan dengan proses pengangkatan atau penggoresan kembali. Referensi [25] menggunakan prosedur yang sama untuk menyiapkan pelat gelombang seperempat nanorod emas. Ketebalan nanorod perak adalah 60 nm, dan lebar tersempit adalah 20 nm. Kedalaman-ke-lebar adalah 3, yang berarti relatif sulit untuk diproduksi. Referensi [16] membuat pelat gelombang seperempat menggunakan proses yang sama. Ketebalan film emas adalah 35 nm, dan celah logam tersempit hanya 10 nm. Meskipun beberapa ketidakhomogenan ketebalan yang tak terhindarkan dan kehilangan material mengurangi kekuatan resonansi pada panjang gelombang yang lebih pendek, pengukurannya sesuai dengan simulasi. Dalam karya ini, ketebalan lapisan perak pelat gelombang adalah 27 nm, dan bagian tersempit adalah 50 nm, kedalaman-ke-lebar sekitar 0,5. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada gambar kecil Gbr. 2c, saat lebar aperture Wx ditingkatkan dari 80 menjadi 100 nm, panjang gelombang operasi digeser dari 1545 (transmisi sekitar 0,432) menjadi 1550 nm (transmisi sekitar 0,44). Artinya struktur kertas memiliki kekokohan yang baik dan tidak akan banyak dipengaruhi oleh kesalahan percobaan.
Oleh karena itu, beberapa struktur bukaan menghindari gagasan memperkenalkan perbedaan fase anisotropik oleh struktur ramping (yang sulit untuk dibangun) dan memberikan arah baru untuk desain pelat gelombang seperempat.
Kesimpulan
Kami telah mempertimbangkan secara numerik pelat gelombang seperempat transmisif broadband yang dapat direalisasikan pada panjang gelombang komunikasi, yang memiliki larik periode lubang sub-panjang gelombang pada film perak setebal 27 nm. Dengan menyesuaikan resonansi plasmonik, resonansi dipol listrik, dan anomali Wood, ia dapat mencapai pita polarisasi melingkar-ke-linier yang lebar (525 nm) dan efisiensi transmisi tinggi 0,44, yang mendekati nilai maksimum teoretis 0,5 yang dihitung oleh teori penerimaan permukaan. Khususnya pada 1550 nm, eliptisitasnya adalah 1, yang dengan sempurna mewujudkan konversi dari polarisasi linier ke lingkaran. Melalui analisis, kami percaya bahwa struktur ini dapat bekerja dengan baik sebagai pelat gelombang seperempat karena ketahanannya yang baik. Ini diharapkan dapat digunakan dalam komponen optik mini seperti manipulasi polarisasi, penginderaan optik, dan fungsi komunikasi.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang dihasilkan selama dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.
