Breedband ultradunne transmissie kwartgolfplaat met rechthoekige gatenreeks gebaseerd op plasmonische resonanties

Resultaten en discussies

Gesimuleerde faseverschuivingen φ _x , φ _j en het verschil wordt getoond in Fig. 2a. De △φ daalt scherp bij 1200 nm en stabiliseert uiteindelijk rond △φ =90°. De transmissiecurves en het faseverschil in de buurt van 1550 nm worden getoond in figuur 2b. Over het algemeen kan een kwartgolfplaat met een faseverschil van 90° ± 5° als normaal worden beschouwd. Voor 1328 nm, de △φ =95 °, en voor 1853 nm, △φ =85°, dat betekent dat binnen de nabij-infraroodbandbreedte van 525 nm, ons ontwerp de conversie van circulaire polarisatie naar lineaire polarisatie kan realiseren. Dit is uitstekend in de huidige gepubliceerde bandbreedte van nabij-infrarood kwartgolfplaat.

Simulatieresultaten van de voorgestelde structuur. een De fase van T _x , T _j en er is een verschil wanneer W _x =100 nm. b Doorlaatbaarheid T , T _x en T _j , en het faseverschil van de twee transmissielichten. c T _x en T _j krommen wanneer W _x veranderingen. De kleine afbeelding is het gedetailleerde diagram bij 1550 nm. Het toont de variatietrends van T _x , T _j , totale transmissie T , en faseverschil op de communicatiegolflengte

De gewijzigde maat W _x van het gat heeft verschillende effecten op x- en y- polarisatie. Afbeelding 2c geeft de transmissie weer wanneer W _x veranderingen. De piek van T _j en de zeer scherpe piek van T _x bij 1200 nm zijn gerelateerd aan de P _x =1200 nm. De voorwaarde voor het optreden van Woods anomalieën is λ =p( sinθ _ik + 1) [31, 32] en θ _ik is 0 voor normaal invallende golf; daarom treedt de piek op wanneer λ =P _x . Ook met de afname van P _j , de vallei van T _x verschuift naar de korte golflengte richting, en T _j beweegt in de richting van de lange golflengte, wat resulteert in de verandering van golflengte en transmissie die overeenkomt met het snijpunt van de twee curven. Bovendien toont de kleine afbeelding de snijpunten van T _x en T _j wanneer W _x verandert van 50 naar 100 nm. Het betekent de ellipticiteit |T _j |/|T _x | =1, zodat de voorgestelde structuur de conversie van kwartgolfplaat van LTC-polarisatie kan realiseren. De efficiëntie is ongeveer 0,44, wat dicht bij de ideale transmissie van 0,5 ligt, bewezen door de oppervlakte-toegangsmethode in eerdere literatuur [28]. Bovendien, wanneer de diafragmabreedte W _x wordt verhoogd van 50 naar 100 nm, wordt de werkende golflengte verschoven van 1518 (transmissie van ongeveer 0,43) naar 1550 nm (transmissie van ongeveer 0,44). Dit betekent dat het voorgestelde werk een goede robuustheid heeft en gunstig is voor de experimentele voorbereiding.

We analyseren numeriek de resonanties van elektrische en magnetische dipolen (ED en MD) onder x-pol. en y-pol. op verschillende W _x . Uit Fig. 3a, b blijkt dat er nauwelijks MD-resonantie is in twee polarisatierichtingen en er bestaat ED-resonantie bij 1550 nm voor x- polarisatie en 1600 nm voor y- polarisatie. Figuur 3c toont de intensiteit en richting van het elektrische veld onder x-pol. incidentie (λ =1550 nm) en Fig. 3d voor y-pol. (λ =1600 nm). De ED-resonanties kunnen worden gezien vanuit de richting die wordt aangegeven door de vectorpijlen. De verandering van W _x heeft weinig effect op de dipoolresonantie van x-pol. , maar y-pol. relatief wordt getroffen. Door het bereik van Wood's anomalie en de positie van de elektrische dipool te veranderen, kunnen de transmissie, fase en polarisatie van ons ontwerp beter worden gecontroleerd. Dit stelt ons in staat om betere kwartgolfplaatprestaties te verkrijgen in de nabij-infraroodband. Het biedt ook een nieuw idee voor het ontwerp van metasurface waveplate [33,34,35,36,37,38,39,40,41].

een De intensiteit van ED-resonanties. b De intensiteit van MD-resonanties. c, d De elektrische veldintensiteit en vectoren van x-pol. en y-pol. incidentie, respectievelijk

Om de werkingsband van de kwartgolfplaten en de prestaties bij de communicatiegolflengte rond 1550 nm te onderzoeken, verdelen we de vergelijkingen in vier delen (getoond in tabel 1):circulaire polariseerbaarheid bij 1550 m, transmissie-efficiëntie bij 1550 nm, de dikte en de bandbreedte van circulaire polarisatie tot lineaire polarisatie kan worden bereikt.

De eerste kolom van tabel 1 is het bovenaanzicht (tweedimensionaal) van de constructies, die slechts een schematisch diagram is en de specifieke grootte en verhouding niet toont. De materialen zijn eenvoudig weergegeven in de figuren. De tweede kolom is de bandbreedte van de structuur als kwartgolfplaten, waarin circulaire polarisatie kan worden omgezet in lineaire polarisatie, en het faseverschilbereik is 90 ° ± 5 °. De derde kolom is de ellipticiteit van de LTC-polarisatietransmissie bij 1550 nm, en de ellipticiteit |T _j |/|T _x |. De vierde kolom is de corresponderende golflengte wanneer de ellipticiteit |T _j |/|T _x | =1, en de △φ =φ _j -φ _x =(2 m + 1) × 90° tegelijkertijd, waar m is een geheel getal. De vijfde kolom is de dikte van de metaallaag van elke kwart golfplaat en silica is het enige andere materiaal. De resultaten van alle bovenstaande artikelen zijn afkomstig van simulaties, met gebruik van FEM, FDTD, enzovoort.

De prestaties van vijf structuren die werken op communicatiebandbreedte in tabel 1a, d, e, f en g worden weergegeven als staafdiagrammen. Ze vertegenwoordigen respectievelijk de nanostaafjes, L-vormige, gebroken rechthoekige annulus-arrays, enkellaagse gouden nanostaafjes-array en twee bij twee rechthoekige zilverfilmstructuren. De circulaire polariseerbaarheid en transmissie-efficiëntie van verschillende kwartgolfplaten bij 1550 nm worden getoond in figuur 4a, en hun respectieve metaallaagdikte en werkbandbreedte worden getoond in figuur 4b. Voor het gemak normaliseren we de dikte en bandbreedte, die is gebaseerd op de metaaldikte (27 nm) en de operationele bandbreedte (525 nm) die in dit werk worden voorgesteld.

De vergelijking van de kenmerken van de structuren genoemd in tabel la, d, e, f en g. een De ellipticiteit van LTC-polarisatie en de totale transmissie bij 1550 nm. b De genormaliseerde metaaldikte en de genormaliseerde bandbreedte van CTL-polarisatie, gebaseerd op de voorgestelde structuur g

Door de vijf bovengenoemde structuren te vergelijken, ontdekken we dat, hoewel structuur a de hoogste transmissie-efficiëntie en een brede band heeft, het volledig onmogelijk is om circulaire polarisatie te bereiken bij 1550 nm, en een zeer grote dikte heeft. Structuur d heeft de hoogste circulaire polariseerbaarheid, een hoge transmissie-efficiëntie en dikte staat op de tweede plaats op vijf, maar de bandbreedte is erg smal. Dit ontwerp kan CTL- en LTC-polarisatie goed bereiken bij 1550 nm, maar is niet geschikt voor een kwartgolfplaat met grote bandbreedte. Ultradunne golfplaten e en f hebben dezelfde dikte van 10 nm en dezelfde laagste transmissie-efficiëntie. Bij de vergelijking van circulaire polariseerbaarheid is e echter beter dan f-prestaties, en bandbreedte, is f veel beter dan e. Hoewel structuur f de breedste band heeft, zijn de andere drie indicatoren allemaal de slechtste, en het is onmogelijk om circulaire polarisatie te bereiken bij 1550 nm. Structuur g realiseert niet alleen de LTC/CTL-transformaties efficiënt en perfect, maar heeft ook de kenmerken van een kleine dikte en een brede werkband. Dit is het resultaat van het wegen van de noodzakelijke prestaties van een kwartgolfplaat. Door de bestaande nanoverwerkingstechnologie te combineren met gepubliceerde literatuur, ontdekten we dat onze kwartgolfplaat experimenteel kan worden voorbereid. Over het algemeen kunnen we het experiment in drie stappen uitvoeren:eerst worden rechthoekige patronen gedefinieerd op de ZEP520-resistlaag door elektronenstraallithografie (EBL) op silicasubstraat; ten tweede wordt een matrix met complementaire structuur van een kwartgolfplaatsupercel verkregen door blootstelling aan een elektronenbundel; ten derde wordt een dunne zilverlaag afgezet door elektronenstraalverdamping; laatste stap, verwijder ongewenste materialen door een lift-off- of etch-back-proces. Referentie [25] gebruikte dezelfde procedure om gouden nanorod kwartgolfplaat te bereiden. De dikte van zilveren nanostaafjes is 60 nm en de smalste breedte is 20 nm. De diepte tot breedte is 3, wat betekent dat het relatief moeilijk te vervaardigen is. Referentie [16] maakte een kwartgolfplaat met dezelfde processen. De dikte van de goudfilm is 35 nm en de smalste metalen opening is slechts 10 nm. Hoewel enige onvermijdelijke dikte-inhomogeniteit en materiaalverliezen de resonantiesterkte bij kortere golflengten verminderen, komen de metingen goed overeen met de simulaties. In dit werk is de dikte van de zilverlaag van de golfplaat 27 nm, en het smalste deel is 50 nm, de diepte tot breedte is ongeveer 0,5. Bovendien, zoals getoond in de kleine afbeelding van Fig. 2c, wanneer de openingen breedte W _x wordt verhoogd van 80 naar 100 nm, wordt de werkende golflengte verschoven van 1545 (doorlaatbaarheid van ongeveer 0,432) naar 1550 nm (doorlaatbaarheid van ongeveer 0,44). Het betekent dat de structuur van het papier een goede robuustheid heeft en niet erg wordt beïnvloed door de experimentele fouten.

Daarom vermijdt de structuur met verschillende openingen het idee om anisotroop faseverschil te introduceren door de slanke structuur (die moeilijk te construeren is) en biedt het een nieuwe richting voor het ontwerp van kwartgolfplaten.