Gelombang Pangkuh Kuarter Lebar Rentang Ultralikit Menggunakan Lubang Perak dan Resonansi Plasmonik
Abstrak
Pengontrolan status polarisasi cahaya memainkan peran penting dalam sistem optik modern. Namun, perangkat pengontrol polarisasi konvensional sering memiliki lebar rentang sempit, dan ukurannya yang besar menyulitkan miniaturisasi dan integrasi sistem optik. Karya ini menyajikan gelombang pangkuh kuarter ultralikit dengan film perak periodik berlubang persegi panjang 2 × 2 dengan ketebalan kurang dari λ/50. Simulasi numerik menunjukkan bahwa gelombang pangkuh ini dapat secara efisien mengubah gelombang polarisasi lingkaran menjadi polarisasi linier pada pusat 1550 nm, dengan lebar rentang 525 nm. Selain itu, gelombang pangkuh kuarter dapat secara efisien mengubah polarisasi linier menjadi polarisasi lingkaran pada 1550 nm, dengan elipsitas mendekati satu. Dengan array lubang kecil pada logam untuk meningkatkan transmisi, struktur ini dapat meningkatkan transmisi hingga 0,44. Gelombang pangkuh kuarter lebar rentang ini dapat digunakan dalam sistem komunikasi dan sistem inframerah dekat, serta dapat diintegrasikan dengan perangkat optik lain pada skala nano untuk operasi, deteksi, dan sensing polarisasi.
Pendahuluan
Minat terhadap manipulasi polarisasi cahaya dalam berbagai aplikasi optik semakin meningkat, seperti polarisator, gelombang pangkuh, dan lensa. Di antaranya, gelombang pangkuh adalah komponen fotonik penting karena dapat menghasilkan selisih fasa spesifik, seperti π/2 dan π, untuk menghasilkan berbagai polarisasi cahaya guna mencapai gelombang pangkuh kuarter atau setengah. Desain gelombang pangkuh tradisional menggunakan birefringensi kristal untuk memberikan fasa berbeda pada cahaya yang datang. Namun, efek birefringensi pada kristal alami sangat lemah, sehingga gelombang pangkuh memiliki ketebalan ratusan mikron. Komponen optik yang besar sering mengalami kesulitan dalam integrasi dan kedalaman modulasi fasa [1,2,3,4]. Dalam beberapa tahun terakhir, munculnya nanofotonika telah membuka arah baru dalam mempelajari interaksi antara cahaya dan materi. Khususnya, perangkat nanofotonik (ketebalan sekitar puluhan nanometer) dapat melewati batasi difraksi tanpa gangguan elektromagnetik. Mereka memiliki potensi besar untuk mengganti perangkat skala besar. Di antaranya, perangkat nanofotonik berbasis metasurface telah menarik perhatian yang semakin banyak. Pengembangan teori dan teknologi pembuatan metasurface memungkinkan pengembangan nanodevice [5].
Metasurface adalah struktur datar yang secara lokal memodifikasi polarisasi, fasa, dan amplitudo cahaya dalam refleksi atau transmisi, sehingga memungkinkan komponen optik datar dengan pola litografi yang fungsinya dikontrol oleh desain. Biasanya memiliki ketebalan kurang dari panjang gelombang. Dalam proses transmisi atau refleksi, metasurface anisotropik menghasilkan fasa dan amplitudo yang berbeda untuk gelombang TE dan TM, yang memberikan fleksibilitas besar dalam desain metasurface fungsional. Kita dapat menggunakan ini untuk merancang lensa, plate fasa, gelombang pangkuh, polarisator, pemisah beam, generator beam vektor arbitrer, dan sebagainya [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17].
Gelombang pangkuh kuarter metasurface berbasis resonansi plasmonik adalah salah satu topik panas dalam beberapa tahun terakhir [18,19,20,21,22,23,24], dan literatur yang dipublikasikan menunjukkan kemajuan berkelanjutan di bidang ini. Pada 2011, Zhao et al. merancang dan mempelajari kinerja array nanobar perak lonjok ortogonal sebagai gelombang pangkuh kuarter lebar rentang. Ini dapat menghasilkan pergeseran fasa 90° dengan ketebalan 60 nm [25]. Terinspirasi oleh prinsip Babinet, pada 2013, kelompok yang sama merancang gelombang pangkuh kuarter berlubang nanoslit, dan mencapai konversi polarisasi lingkaran-ke-linier (CTL) pada daerah cahaya visibel. Ketebalan lapisan logam dikurangi menjadi 40 nm [26]. Kedua desain di atas memiliki lebar rentang yang luas dari konversi polarisasi CTL. Namun, sulit untuk mencapai amplitudo yang sama pada dua berkas polarisasi ortogonal. Segera setelah karya pioneer Zhao et al., pada 2012, Roberts et al. mengusulkan gelombang pangkuh kuarter dengan array periodik lubang silang pada film perak. Efisiensi transmisi dan fasa (untuk lebar lengan tetap) gelombang pangkuh sensitif terhadap panjang lengan yang terkait. Konversi polarisasi linier-ke-lingkaran (LTC) dicapai pada beberapa panjang gelombang diskrit dari 710 hingga 760 nm, dan ketebalan film perak adalah 140 nm [27]. Ini dapat mencapai konversi polarisasi LTC dengan baik, tetapi panjang gelombang tetap pada panjang gelombang tertentu saja, dan lapisan logam relatif tebal. Demikian pula, berdasarkan anisotropi yang disebabkan oleh panjang lengan di arah ortogonal, pada 2013, Yang et al. mengusulkan gelombang pangkuh kuarter yang terdiri dari array periodik datar antena plasma L-simmetris. Elipsitas cahaya yang ditransmisikan dapat mencapai 0,994 pada 1550 nm. Lebar rentang dengan elipsitas lebih dari 0,9 adalah 80 nm [28]. Polarabilitas lingkaran gelombang pangkuh hampir satu, namun lebar rentangnya tidak ideal. Dengan merancang antena nano dalam superunit dengan hati-hati, pada 2015, Li et al. mencapai gelombang pangkuh kuarter yang terdiri dari array nanobar emas dengan ketebalan 20 nm. Ini secara teoretis dapat merealisasikan konversi dari polarisasi CTL dan transformasi balik sekitar 1550 nm. Polarabilitas lingkaran adalah 0,67, dan efisiensi transmisi adalah 0,4 [29]. Struktur ultralikit dapat merealisasikan polarisasi CTL pada lebar rentang yang luas, tetapi elipsitas (rasio amplitudo) polarisasi LTC pada 1550 nm rendah. Selain itu, pada 2017, Zhu et al. mengusulkan gelombang pangkuh kuarter array lingkaran persegi panjang pecah. Ini dibentuk oleh dua pasang slit dengan orientasi tegak lurus yang disematkan dalam film perak dengan ketebalan 10 nm. Ini memiliki lebar rentang polarisasi CTL 120 nm. Selain itu, gelombang pangkuh dapat mencapai transformasi LTC dengan polarabilitas lingkaran 0,97, dan efisiensi transmisi adalah 0,4 pada 1550 nm [30]. Ini mencapai konversi polarisasi tinggi dengan mengorbankan lebar rentang.
Melalui contoh-contoh di atas, secara umum, sebagai gelombang pangkuh kuarter transmisi miniatur ideal yang digunakan pada lebar rentang komunikasi, seharusnya memiliki karakteristik berikut: pertama, dapat merealisasikan konversi dari polarisasi CTL (LTC polarisasi) pada lebar rentang yang luas. Kedua, dapat mencapai polarabilitas lingkaran mendekati satu pada 1550 nm. Ketiga, transmisi keseluruhan harus tinggi sebanyak mungkin (transmisi maksimum gelombang pangkuh kuarter ultralikit tanpa kehilangan harus 0,5 dihitung oleh teori admittance permukaan). Keempat, harus ultralikit dan hemat biaya. Namun hingga saat ini, sebagian besar masih desain teoretis, dan sedikit eksperimen yang dilakukan. Karena rasio tinggi terhadap lebar terlalu tinggi, atau parameter struktur terlalu sensitif terhadap kesalahan, dll., hal ini akan mempengaruhi kinerja gelombang pangkuh kuarter sebenarnya.
Berdasarkan empat karakteristik di atas, kami mengusulkan gelombang pangkuh kuarter transmisi yang digunakan pada lebar rentang komunikasi. Sel unit terdiri dari film perak berlubang dengan ketebalan 27 nm dan substrat silica. Desain lubang empat menghindari kelemahan lebar rentang sempit dari resonan tunggal. Mereka dapat meningkatkan plasmon permukaan lokal, sehingga meningkatkan anisotropi fasa untuk memperkenalkan pergeseran fasa tiba-tiba, dan secara besar-besaran mengurangi ketebalan lapisan logam. Selain itu, gelombang pangkuh dapat mencapai selisih fasa 90° pada lebar rentang 525 nm. Khususnya, polarabilitas lingkaran mendekati satu dengan efisiensi transmisi 0,44 pada 1550 nm.
Metode
Gambar 1 secara skematis menggambarkan sel unit gelombang pangkuh kuarter plasmonik yang diusulkan, film perak berlubang yang ditempatkan pada substrat silica. Empat lubang persegi panjang diatur dalam dua baris dan dua kolom. Gelombang pangkuh terbenam dalam lingkungan udara dengan indeks bias n = 1. Silica diasumsikan tidak dispersi (\( {\varepsilon}_{SiO_2}=1.47 \)), dan permitivitas perak dijelaskan oleh model Drude [25]:
Skematis gelombang pangkuh kuarter. Cahaya secara normal datang dari bawah. a Tampilan 3D gelombang pangkuh kuarter. b Tampilan atas struktur satuan
dimana ε∞=5, fp = 2.175 PHz, dan γ = 4.35THz. Ketebalan substrat silica dan film perak tetap pada H1 = 30 nm dan H2 = 27 nm, periode unit 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 dipertahankan, dan panjang Wx bervariasi. Pusat lubang adalah x = ±75 nm, y = ±110 nm. Simulasi numerik dilakukan dengan metode finite-difference time-domain (FDTD) tiga dimensi, di mana kondisi periodik diterapkan di arah x- dan y-, dan lapisan cocok sempurna digunakan di sepanjang z-direction untuk memastikan penyerapan lengkap cahaya eksitasi tanpa refleksi. Gelombang datar secara normal datang dari bawah substrat dalam daerah panjang gelombang dari 1000 hingga 2000 nm. T adalah transmisi total dinormalisasi, dan transmisi di arah x- dan y adalah Tx dan Ty, masing-masing. Kami pertama kali mempertimbangkan karakteristik transmisi metasurface datar ultralikit dengan ketebalan subpanjang gelombang d ≪ λ0 yang ditempatkan pada bidang z = 0. Transmisi dapat dinyatakan secara sederhana menggunakan matriks Jones:
dimana Tij mewakili amplitudo kompleks gelombang yang ditransmisikan, terpolarisasi linier di arah i untuk eksitasi di arah j. Oleh karena itu, Txx dan Tyy adalah koefisien transmisi copolarisasi, dan Txy dan Tyx adalah koefisien transmisi cross-polarisasi. Pertimbangkan gelombang datar yang datang menyebar di sepanjang arah +z, medan listrik dapat dinyatakan sebagai:
dimana ω mewakili frekuensi, k adalah vektor gelombang, dan Ix, Iy adalah amplitudo kompleks. Matriks I =\( \left(\begin{array}{c}{I}_x\\ {}{I}_y\end{array}\right) \) menentukan status polarisasi dan intensitas total gelombang. Ketika cahaya terpolarisasi linier datang secara normal dengan sudut polarisasi 45° terhadap sumbu x-, ∣ Ix∣ = |Iy∣ = \( \frac{1}{\sqrt{2}} \). Medan listrik yang ditransmisikan dapat digambarkan sebagai:
Untuk medium yang tidak memiliki efek konversi polarisasi linier (Txy dan Tyx sama dengan nol [25, 27]), medan yang ditransmisikan dapat dinyatakan sebagai [16]:
Selisih fasa adalah △φ = φy- φx antara koefisien transmisi Txx dan Tyy. Untuk gelombang pangkuh kuarter, △φ harus sama dengan (2 m + 1)π/2, di mana m adalah bilangan bulat.
Hasil dan Pembahasan
Geseran fasa yang disimulasikan φx, φy dan selisihnya ditunjukkan pada Gambar 2a. △φ menurun tajam pada 1200 nm dan akhirnya stabil di sekitar △φ = 90°. Kurva transmisi dan selisih fasa di sekitar 1550 nm ditunjukkan pada Gambar 2b. Secara umum, gelombang pangkuh kuarter dengan selisih fasa 90° ± 5° dapat dianggap berfungsi normal. Untuk 1328 nm, △φ = 95°, dan untuk 1853 nm, △φ = 85°, yang berarti dalam lebar rentang inframerah dekat 525 nm, desain kami dapat merealisasikan konversi dari polarisasi lingkaran ke polarisasi linier. Ini luar biasa dalam lebar rentang gelombang pangkuh kuarter inframerah dekat yang dipublikasikan saat ini.
Hasil simulasi struktur yang diusulkan. a Fasa dari Tx, Ty dan selisihnya ketika Wx = 100 nm. b Transmitansi T, Tx dan Ty, dan selisih fasa dari dua cahaya transmisi. c Kurva Tx dan Ty ketika Wx berubah. Gambar kecil adalah diagram detail di sekitar 1550 nm. Ini menunjukkan tren variasi Tx, Ty, transmitansi total T, dan selisih fasa pada panjang gelombang komunikasi
Ukuran lubang yang berubah Wx memiliki efek yang berbeda pada polarisasi x- dan y-. Gambar 2c menggambarkan transmitansi ketika Wx berubah. Puncak Ty dan puncak yang sangat tajam dari Tx pada 1200 nm terkait dengan Px = 1200 nm. Kondisi untuk terjadinya anomali Wood adalah λ = p(sinθi+ 1) [31, 32] dan θi adalah 0 untuk gelombang yang datang secara normal; oleh karena itu, puncak terjadi ketika λ = Px. Juga, dengan penurunan Py, lembah Tx bergeser ke arah panjang gelombang pendek, dan Ty bergerak ke arah panjang gelombang panjang, yang mengakibatkan perubahan panjang gelombang dan transmitansi yang sesuai dengan potongan dua kurva. Selain itu, gambar kecil menunjukkan potongan Tx dan Ty ketika Wx berubah dari 50 hingga 100 nm. Ini berarti elipsitas |Ty|/|Tx| = 1, sehingga struktur yang diusulkan dapat merealisasikan konversi gelombang pangkuh kuarter dari polarisasi LTC. Efisiensi sekitar 0,44, yang mendekati transmitansi ideal 0,5 yang dibuktikan oleh metode admittance permukaan dalam literatur sebelumnya [28]. Selain itu, ketika lebar lubang Wx ditingkatkan dari 50 hingga 100 nm, panjang gelombang operasi bergeser dari 1518 (transmitansi sekitar 0,43) ke 1550 nm (transmitansi sekitar 0,44). Ini berarti karya yang diusulkan memiliki keandalan yang baik, dan bermanfaat untuk persiapan eksperimen.
Kami menganalisis secara numerik resonansi dipol listrik dan magnetis (ED dan MD) di bawah x-pol. dan y-pol. pada berbagai Wx. Terlihat dari Gambar 3a, b bahwa hampir tidak ada resonansi MD di dua arah polarisasi dan terdapat resonansi ED pada 1550 nm untuk polarisasi x- dan 1600 nm untuk polarisasi y-. Gambar 3c menunjukkan intensitas dan arah medan listrik di bawah insiden x-pol. (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 efek yang kecil pada resonansi dipol x-pol., tetapi y-pol. relatif terpengaruh. Dengan mengubah rentang anomali Wood dan posisi dipol listrik, transmisi, fasa, dan polarisasi desain kami dapat dikontrol dengan lebih baik. Ini memungkinkan kami untuk mendapatkan kinerja gelombang pangkuh kuarter yang lebih baik pada lebar rentang inframerah dekat. Ini juga memberikan ide baru untuk desain gelombang pangkuh metasurface [33,34,35,36,37,38,39,40,41].
a Intensitas resonansi ED. b Intensitas resonansi MD. c, d Intensitas dan vektor medan listrik insiden x-pol. dan y-pol., masing-masing
Untuk memeriksa lebar rentang operasi gelombang pangkuh kuarter dan kinerja pada panjang gelombang komunikasi sekitar 1550 nm, kami membagi perbandingan menjadi empat bagian (ditunjukkan dalam Tabel 1): polarabilitas lingkaran pada 1550 nm, efisiensi transmisi pada 1550 nm, ketebalan dan lebar rentang dari polarisasi lingkaran ke linier yang dapat dicapai.
Kolom pertama Tabel 1 adalah tampilan atas (dua dimensi) struktur, yang hanya merupakan diagram skematis, dan tidak menunjukkan ukuran dan proporsi tertentu. Bahan-bahan sederhana ditampilkan dalam gambar. Kolom kedua adalah lebar rentang struktur sebagai gelombang pangkuh kuarter, di mana polarisasi lingkaran dapat dikonversi ke polarisasi linier, dan rentang selisih fasa adalah 90° ± 5°. Kolom ketiga adalah elipsitas transmisi polarisasi LTC pada 1550 nm, dan elipsitas |Ty|/|Tx|. Kolom keempat adalah panjang gelombang yang sesuai ketika elipsitas |Ty|/|Tx| = 1, dan △φ = φy-φx= (2 m + 1) × 90° secara bersamaan, di mana m adalah bilangan bulat. Kolom kelima adalah ketebalan lapisan logam dari setiap gelombang pangkuh kuarter dan silica adalah satu-satunya bahan lainnya. Hasil dari semua artikel di atas berasal dari simulasi, menggunakan FEM, FDTD, dan sebagainya.
Kinerja lima struktur yang bekerja pada lebar rentang komunikasi dalam Tabel 1a, d, e, f, dan g disajikan sebagai diagram batang. Mereka masing-masing mewakili struktur nanobar, bentuk L, array lingkaran persegi panjang pecah, array nanobar emas lapisan tunggal, dan struktur film perak berlubang persegi panjang dua kali dua. Polarabilitas lingkaran dan efisiensi transmisi berbagai gelombang pangkuh kuarter pada 1550 nm ditunjukkan pada Gambar 4a, dan ketebalan lapisan logam serta lebar rentang operasi masing-masing ditunjukkan pada Gambar 4b. Untuk kemudahan, kami menormalisasi ketebalan dan lebar rentang, yang didasarkan pada ketebalan logam (27 nm) dan lebar rentang operasi (525 nm) yang diusulkan dalam karya ini.
Perbandingan karakteristik struktur yang disebutkan dalam Tabel 1a, d, e, f, dan g. a Elipsitas polarisasi LTC dan transmisi total pada 1550 nm. b Ketebalan logam yang dinormalisasi, dan lebar rentang polarisasi CTL yang dinormalisasi, berdasarkan struktur g yang diusulkan
Dengan membandingkan lima struktur di atas, kami menemukan bahwa meskipun struktur a memiliki efisiensi transmisi tertinggi dan lebar rentang yang luas, secara mutlak tidak mungkin mencapai polarisasi lingkaran pada 1550 nm, dan memiliki ketebalan yang sangat besar. Struktur d memiliki polarabilitas lingkaran tertinggi, efisiensi transmisi tinggi dan ketebalan menduduki peringkat kedua di lima, tetapi lebar rentangnya sangat sempit. Desain ini dapat mencapai polarisasi CTL dan LTC dengan baik pada 1550 nm, tetapi tidak cocok untuk gelombang pangkuh kuarter dengan lebar rentang besar. Gelombang pangkuh ultralikit e dan f memiliki ketebalan yang sama 10 nm, dan efisiensi transmisi terendah yang sama. Namun, dalam perbandingan polarabilitas lingkaran, e lebih baik dari f, dan lebar rentang, f jauh lebih baik dari e. Meskipun struktur f memiliki lebar rentang paling luas, tiga indikator lainnya semuanya yang terburuk, dan tidak mungkin mencapai polarisasi lingkaran pada 1550 nm. Struktur g tidak hanya merealisasikan transformasi LTC/CTL secara efisien dan sempurna, tetapi juga memiliki karakteristik ketebalan kecil dan lebar rentang operasi yang luas. Ini adalah hasil dari penimbangan kinerja yang diperlukan dari gelombang pangkuh kuarter. Dengan menggabungkan teknologi nanoproses yang ada dengan literatur yang dipublikasikan, kami menemukan bahwa gelombang pangkuh kuarter kami dapat dipersiapkan secara eksperimental. Secara umum, kami dapat menyelesaikan eksperimen dalam tiga langkah: pertama, pola persegi panjang ditentukan pada lapisan resist ZEP520 oleh litografi sinar elektron (EBL) pada substrat silica; kedua, array struktur komplementer super sel gelombang pangkuh kuarter diperoleh oleh paparan sinar elektron; ketiga, lapisan perak tipis ditambat oleh evaporasi sinar elektron; langkah terakhir, hapus bahan yang tidak diinginkan dengan proses lift-off atau etch-back. Referensi [25] menggunakan prosedur yang sama untuk menyiapkan gelombang pangkuh kuarter nanobar emas. Ketebalan nanobar perak adalah 60 nm, dan lebar terpitip adalah 20 nm. Rasio kedalaman-lebar adalah 3, yang berarti relatif sulit diproduksi. Referensi [16] membuat gelombang pangkuh kuarter menggunakan proses yang sama. Ketebalan film emas adalah 35 nm, dan celah logam terpitip hanya 10 nm. Meskipun beberapa ketidakseragaman ketebalan dan kehilangan bahan yang tidak terhindarkan mengurangi kekuatan resonansi pada panjang gelombang yang lebih pendek, pengukuran sejalan dengan simulasi. Dalam karya ini, ketebalan lapisan perak gelombang pangkuh adalah 27 nm, dan bagian terpitip adalah 50 nm, rasio kedalaman-lebar sekitar 0,5. Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada gambar kecil Gambar 2c, ketika lebar lubang Wx ditingkatkan dari 80 hingga 100 nm, panjang gelombang operasi bergeser dari 1545 (transmitansi sekitar 0,432) ke 1550 nm (transmitansi sekitar 0,44). Ini berarti struktur dalam makalah ini memiliki keandalan yang baik dan tidak akan terpengaruh besar oleh kesalahan eksperimen.
Oleh karena itu, beberapa struktur lubang ini menghindari ide memperkenalkan selisih fasa anisotropik oleh struktur lonjok (yang sulit dikonstruksi) dan memberikan arah baru untuk desain gelombang pangkuh kuarter.
Kesimpulan
Kami telah mempertimbangkan secara numerik gelombang pangkuh kuarter transmisi lebar rentang yang dapat direalisasikan pada panjang gelombang komunikasi, yang memiliki array periodik lubang subpanjang gelombang pada film perak dengan ketebalan 27 nm. Dengan menyesuaikan resonansi plasmonik, resonansi dipol listrik, dan anomali Wood, ini dapat mencapai lebar rentang polarisasi lingkaran-ke-linier yang luas (525 nm) dan efisiensi transmisi tinggi sebesar 0,44, yang mendekati nilai teoretis maksimum 0,5 yang dihitung oleh teori admittance permukaan. Khususnya pada 1550 nm, elipsitas adalah 1, yang secara sempurna merealisasikan konversi dari polarisasi linier ke lingkaran. Dengan analisis, kami yakin bahwa struktur ini dapat bekerja dengan baik sebagai gelombang pangkuh kuarter karena keandalannya yang baik. Ini diharapkan dapat digunakan dalam komponen optik miniatur seperti manipulasi polarisasi, sensing optik, dan fungsi komunikasi.
Ketersediaan Data dan Bahan
Dataset yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis atas tanggung jawab atas permintaan yang wajar.
