Efficiënte polarisatiebundelsplitser op basis van volledig diëlektrisch metaoppervlak in zichtbare regio

Abstract

In dit artikel presenteren we een volledig diëlektrisch gradiëntmeta-oppervlak, samengesteld uit een periodieke rangschikking van kruisvormige siliciumnanoblokken van verschillende grootte die op het gesmolten silicasubstraat rusten, om de functie van polarisatiesplitsing in het zichtbare gebied te realiseren. De kruisvormige siliciumblokarrays kunnen twee tegengestelde transmissiefasegradiënten induceren langs de x -richting voor de lineaire x -polarisatie en y -polarisatie. Door goed te ontwerpen, kan het meta-oppervlak het lineair gepolariseerde licht scheiden in x - en y -gepolariseerde, die zich onder dezelfde hoek voortplanten langs de linker- en rechterkant van de normale inval in de x -z vlak. In het bijzonder, wanneer een bundel met een polarisatiehoek van 45,0° op het voorgestelde apparaat valt, zal de x - en y -gepolariseerde uitgezonden degenen hebben een bijna gelijke intensiteit binnen het golflengtebereik van 579 tot 584 nm. We verwachten dat de voorgestelde polarisatiebundelsplitser een belangrijke rol kan spelen voor toekomstige optische apparaten in de vrije ruimte.

Inleiding

In de afgelopen jaren hebben meta-oppervlakken, tweedimensionale subgolflengtestructuren bestaande uit nanoantennes in een arrayconfiguratie, enorme aandacht gekregen. Metasurface kan het invallende licht op een subgolflengteschaal manipuleren omdat de ultradunne gestructureerde dikte abrupte veranderingen van de parameters van de invallende bundel introduceert. De fase [1,2,3,4,5], amplitude [6,7,8,9] en polarisatie [10,11,12,13] van de invallende bundels kunnen bijvoorbeeld worden gemanipuleerd door de vorm aan te passen , grootte en oriëntatie van de subgolflengte nanoantennes. In vergelijking met de conventionele volumineuze materialen zijn de metasufrace-apparaten gemakkelijker te vervaardigen en hun ultradunne dikte in het optische pad kan transmissieverliezen aanzienlijk onderdrukken. Op basis van de bovengenoemde opwindende voordelen zijn meta-oppervlakken in veel toepassingen gebruikt, zoals polarisatieconverter [11,12,13], full-color printen [14], holografie [15], platte lenzen [16], optische vortexgeneratie [ 4, 17] en spectrumsplitsing [18,19,20,21].

Oorspronkelijk werden metalen nanostructuren gebruikt om meta-oppervlakken met straalafbuiging te vormen [1, 22, 23]. De vereiste 2π-fase dekking kan in het algemeen op twee manieren worden bereikt. De ene genereert twee onafhankelijke resonanties, die elk een faseverschuiving van π introduceren. De andere is om de polarisatie-afhankelijke subgolflengte-resonatoren ruimtelijk te roteren van 0° tot 180°. De absorptieverliezen van metalen meta-oppervlakken beperken echter de efficiëntie in de transmissiemodus. Er is onlangs voorgesteld om volledig diëlektrische meta-oppervlakken te vervangen door metalen vanwege hun lage absorptieverliezen [24,25,26,27,28]. Tot op heden zijn drie verschillende benaderingen aangetoond om de 2π-faseverschuiving in de volledig diëlektrische meta-oppervlakken, geometrische fase [27], Mie-resonantie [2, 4, 7] en Fabry-Pérot-resonantie [3, 28] te realiseren. De eerste methode is vergelijkbaar met de bovenstaande tweede manier van metalen metasurface; het werkt voor circulair gepolariseerd licht. Het tweede mechanisme bestrijkt het volledige 2π-fasebereik op basis van spectraal overlappende magnetische en elektrische resonanties; het op deze manier ontworpen meta-oppervlak wordt ook wel Huygens-meta-oppervlak genoemd. De derde methode, net zoals degene die in dit artikel wordt gebruikt, maakt gebruik van nanoantennes met een hoge aspectverhouding om de gewenste fasecontrole te verkrijgen. De antennes kunnen in dit geval worden beschouwd als afgeknotte golfgeleiders en de transmissiefase wordt gemanipuleerd door de effectieve brekingsindex van de fundamentele modus in diëlektrische antennes van verschillende grootte. Silicium wordt over het algemeen toegepast in volledig diëlektrische metasurface-apparaten [2,3,4] vanwege de hoge brekingsindex, het lage verlies en de volwassen procesproductie. Zoals voor sommige andere materialen met een lage brekingsindex, zoals silica (SiO₂ ), siliciumnitride (Si₃ N₄ ), en titaandioxide (TiO₂ ), kunnen hun verliezen worden genegeerd, maar de hogere beeldverhoudingen maken de fabricage erg uitdagend.

Polarisatiebundelsplitser, een apparaat dat een optische bundel kan scheiden in twee orthogonaal gepolariseerde componenten die zich langs verschillende paden voortplanten, is een belangrijk onderdeel in optische systemen. Polarisatiebundelsplitsers die in de literatuur worden vermeld, zijn voornamelijk ontworpen op basis van de volgende structuren, waaronder subgolflengtestructuren [29,30,31], hybride plasmonische koppelaars [32], roosters [33], multimode interferentie (MMI) structuren [34], en asymmetrische directionele koppelingen [35, 36]. Farahani en Mosallaei [29] stelden een infraroodreflectarray-meta-oppervlak voor om binnenkomend licht opnieuw uit te stralen in twee orthogonaal gepolariseerde reflecterende bundels. Guo et al. [30] ontwierp een polarisatiesplitser op basis van siliciummeta-oppervlakken bij de specifieke golflengte van 1500 nm. In dit werk stellen we een eenvoudige en met grote hoek afgebogen polarisatiebundelsplitser voor op basis van een diëlektrisch meta-oppervlak, die is geconstrueerd door verschillende kruisvormige siliciumresonatorarrays bovenop het silicasubstraat. Wanneer x - of y -gepolariseerd licht valt normaal gesproken in, de polarisatierichting van het doorgelaten licht is dezelfde als die van het invallende licht. Bij een golflengte van 583 nm is de afbuighoek 46,78° en is de afbuigefficiëntie 63,7% onder x -gepolariseerde inval, terwijl de afbuigingsefficiëntie 66,4% is en de afgebogen hoek -46,78° is voor y -gepolariseerde. Bovendien is het voorgestelde apparaat in staat om het lineair gepolariseerde licht te scheiden in x - en y -gepolariseerde. Vooral wanneer de polarisatie van het invallende licht een hoek van 45° maakt met de x -as hebben twee orthogonaal gepolariseerde uitgezonden bundels ongeveer gelijke intensiteiten binnen het golflengtegebied van 579 tot 584 nm.

Methoden

Figuur 1 geeft schematisch de configuratie weer van de voorgestelde polarisatiebundelsplitser, die is ontworpen op basis van een volledig diëlektrisch meta-oppervlak. Het meta-oppervlak bestaat uit een reeks kruisvormige siliciumblokken die op het silicasubstraat zijn geplaatst. De optische constanten van silicium zijn ontleend aan Ref [37] en de brekingsindex van silicium is 1,45. De hoogte van het siliciumblok h is ingesteld op 260 nm; de periode van de eenheidscel langs de x - en y -richtingen zijn geoptimaliseerd om Px . te zijn = 200 nm en Py = 200 nm. De numerieke simulatie wordt uitgevoerd door driedimensionale finite-difference time-domain (FDTD) modellen, waarin periodieke randvoorwaarden worden toegepast in de beide x - en y -richtingen en perfect op elkaar afgestemde lagen worden gebruikt langs de z -richting. De vlakke golf valt normaal gesproken in vanaf de onderkant van het substraat. De kruisvormige silicium-nanoblokken-array kan worden gezien als samengesteld uit twee loodrechte silicium-blokarrays. Een array is dat de lengtes w van de antennes langs de x -as blijft constant terwijl de lengtes Ly langs de y -asverandering om de fasegradiënt onder y . te induceren -gepolariseerde incidentie. Integendeel, een andere introduceert de fasegradiënt voor x -gepolariseerde verlichting door de lengtes te variëren Lx van de antennes langs de x -richting en behoud van de lengtes w langs de y -as constant.

Schematische configuratie van het voorgestelde kruisvormige meta-oppervlak dat werkt als een polarisatiebundelsplitser

Eerst ontwerpen we de fasegradiëntarray onder y -gepolariseerde incidentie. Zoals weergegeven in Fig. 2a en b, berekenen we de transmissie en faserespons van de periodieke siliciumblokken door de breedte w te veranderen van 60 tot 75 nm en de lengte Ly van 60 tot 200 nm bij de golflengte van 583 nm. Een volledige 2π-fase dekking kan niet worden verkregen wanneer de breedte w is minder dan 61,5 nm, maar de transmissie-intensiteit neemt af naarmate de breedte w neemt toe. Gezien de fabricage van het proces, ondertussen, is de breedte w van de elementaire eenheid is vastgesteld op 70 nm, en de lengte Ly wordt gevarieerd om de volledige 2π-transmissiefasecontrole te bieden, zoals weergegeven in figuur 2c. De transmissie en faserespons als functie van de lengte Ly bij de golflengte 583 nm zijn afgebeeld in Fig. 2d. Voor een grote splijthoek worden vier verschillende eenheden geselecteerd om het fasebereik van 0 tot 2π te overspannen, de lengtes Ly van vier elementen zijn Ly ₁ = 169 nm, Ly ₂ = 122 nm, Ly ₃ = 103 nm, en Ly ₄ =70 nm, respectievelijk. Volgens de algemene wet van Snellius is de hoek van afwijkende breking θ _t kan worden verkregen door de formule,

$$ {n}_{\mathrm{t}}\sin {\theta}_{\mathrm{t}}-{n}_{\mathrm{i}}\sin {\theta}_{\mathrm{ i}}=\frac{\lambda_0}{2\pi}\frac{d\Phi}{dx} $$ (1)

waar n _t en n _ik zijn de brekingsindex van respectievelijk het uitgezonden en invallende medium, θ _ik is de invalshoek, λ ₀ is de invallende golflengte in vacuüm, dx en dϕ zijn de afstand en het faseverschil tussen aangrenzende eenheden langs de x -richting. In ons geval is de waarde van dϕ is − π/2 voor y -gepolariseerde incidentie, die wordt bereikt door de lengtes Ly . geleidelijk te verkleinen van de nanoblokken langs de x -positieve richting, zoals array A afgebeeld in Fig. 2e. Om de functie van polarisatiesplitsing te realiseren, is het faseverschil dϕ is ingesteld op π/2 onder x -gepolariseerde incidentie. Hier de lengtes Lx van vier eenheden langs de x -positieve richting zijn respectievelijk 70 nm, 103 nm, 122 nm en 169 nm, terwijl de breedtes w behoud dezelfde waarde 70 nm, als array B getoond in Fig. 2e. Ten slotte worden de bovenstaande twee arrays gecombineerd tot één kruisvormige array om een polarisatiebundelsplitsend meta-oppervlak te vormen, en array A en B vertonen de fasegradiënten voor y - en x -gepolariseerd invallend licht, respectievelijk.

Ontwerp van het meta-oppervlak. een Verzending en b faserespons als functie van de breedte w en lengte Ly bij een golflengte van 583 nm. c Eén eenheid meta-oppervlak voor y -gepolariseerde incidentie. d Transmissie en faserespons van de periodieke nanoblokken met een breedte van 70 nm als functie van de lengte Ly . e De ontwerpprocedure van het voorgestelde meta-oppervlak van de polarisatiebundelsplitser (verticaal aanzicht). Hier sorteren we de eenheden van links naar rechts als eenheid1, eenheid 2, eenheid 3 en eenheid 4

Resultaten en discussies

De optische prestaties van het kruisvormige meta-oppervlak dat fungeert als polarisatiebundelsplitser, wordt gesimuleerd door de driedimensionale FDTD-methode. In ons geval is de waarde van dx is 200 nm, dϕ is π/2, −π/2 voor x - en y -gepolariseerde incidentie respectievelijk. Volgens de Vgl. (1), de afwijkende uitgezonden straal wordt afgebogen onder een hoek van 46,78° onder x -gepolariseerde normale inval bij een golflengte van 583 nm. De uitgezonden elektrische veldverdeling onder x -gepolariseerde verlichting in de x-z vlak is afgebeeld in figuur 3a. De waargenomen diffractiehoek 46,78° vanaf het golffrontprofiel komt overeen met het theoretische resultaat. Het gesimuleerde resultaat in Fig. 3b laat zien dat de genormaliseerde intensiteit in het verre veld onder x -gepolariseerde incidentie. De totale transmissie-efficiëntie is 69,7% en de deflectie-efficiëntie is 63,7%, wat voornamelijk wordt veroorzaakt door reflectie van de interface (12,5%), de absorptie van silicium (17,8%) en andere diffractie-orders (6%). Hier wordt de afbuigefficiëntie gedefinieerd als de intensiteit van de afgebogen bundel in de gewenste diffractievolgorde (+-1, -1 volgorde voor x - en y -gepolariseerde incidentie) genormaliseerd naar de totale incidentintensiteit. Wanneer de lineaire y -gepolariseerd licht valt normaal gesproken in, het elektrische veld en de genormaliseerde intensiteitsverdelingen in het verre veld bij de golflengte van 583 nm worden respectievelijk gegeven in Fig. 3c en d. De afgebogen hoek is -46,78° en het bijbehorende afbuigrendement is 66,4%, terwijl het totale transmissierendement 75,2% is. De reflectie kan voornamelijk worden veroorzaakt door de hoge brekingsindex van silicium en achterwaartse verstrooiing vanaf de rand, en het intrinsieke verlies van silicium in het zichtbare gebied leidt tot de hoge absorptie. Als de absorptieverliezen in ons geval buiten beschouwing worden gelaten, kan de totale transmissie-efficiëntie ongeveer 90% bereiken voor de twee bovengenoemde incidenten, die vergelijkbaar zijn met de waarden in Ref [30]. De afgebogen hoek is afhankelijk van veel parameters volgens de Vgl. (1), zodat het kan worden gemanipuleerd om aan onze behoeften te voldoen door de parameters aan te passen, zoals de periode langs de fasegradiëntrichting, de werkende golflengte en andere.

De elektrische veldverdelingen nabij het meta-oppervlak in de x-z vliegtuig onder a x -gepolariseerd en c j -gepolariseerde incidentie. Genormaliseerde far-field intensiteitsverdelingen voor b x -gepolariseerd en d j -gepolariseerd normaal invallend licht. De werkende golflengte is 583 nm, en de verzonden hoek wordt gedefinieerd als positieve (negatieve) waarde in de rechter (linker) kant van de normaal

Een lineair gepolariseerde vlakke golf (E ) kan altijd worden ontleed in twee orthogonale componenten (Ex en Ey ), die gelijktijdig twee onafhankelijke resonantievelden opwekken in x - en y -routebeschrijving. Daarom, wanneer een lineair gepolariseerde vlakke golf normaal invalt op het meta-oppervlak, kan deze worden opgelost in x- en y -gepolariseerde, die tegengestelde fasegradiënten kunnen induceren langs de x -richting. Figuur 4a laat zien dat het werkmechanismediagram van de voorgestelde polarisatiebundelsplitser, de invallende bundel zal worden verdeeld in x - en y -gepolariseerde, de corresponderende afgebogen hoeken zijn θ _t en − θ _t , die worden bepaald door de werkende golflengte. De intensiteiten van twee uitgezonden signalen worden bepaald door de gepolariseerde hoek van het invallende licht. Wanneer de polarisatie van het invallende licht een hoek van 45° maakt met de x -as, de x - en y -gepolariseerde uitgezonden elektrische veldverdelingen geëxtraheerd uit het totale uitgezonden veld zoals weergegeven in figuur 4c, wat ook de polarisatiesplitsingsfunctie van dit voorgestelde apparaat bevestigt. De genormaliseerde far-field-intensiteitsverdeling voor werkende golflengte 583 nm is weergegeven in figuur 4b; de intensiteit van twee uitgangsstralen is dezelfde waarde 0,336. De totale transmissie-intensiteit I _uit is 0,726, dus efficiënties van het totale uitgangslicht afgebogen in de +-1 diffractieorde (x -polarisatie) en − 1 orde (y -polarisatie) zijn beide 46,3%. Hier is de intensiteit van de 0-diffractievolgorde goed voor 7,4% van de totale transmissie, die kan worden onderdrukt door de geometrische parameters of vormen verder te optimaliseren. Bovendien, x - en y -gepolariseerde doorvallende lichtstralen hebben bijna gelijke intensiteiten (∣I _{x − pol .} − Ik _{j − pol .} ∣ /Ik _{x − pol .} < 2%) wanneer de polarisatiehoek 45° is binnen een golflengtebereik van 579 tot 584 nm. Overeenkomstige afgebogen hoeken en transmissie-intensiteiten bij verschillende golflengten worden gegeven in Tabel 1.

een Werkmechanisme van de voorgestelde polarisatiebundelsplitser (vooraanzicht). b Genormaliseerde far-field intensiteit. c De geëxtraheerde verzonden x -gepolariseerd (links) en y -gepolariseerde (rechts) elektrische veldverdelingen van het ontworpen meta-oppervlak onder de normale inval van 45° gepolariseerd licht bij een golflengte van 583 nm

In het bovenstaande ontwerpproces nemen we idealiter aan dat de fase- en transmissierespons bij x (j )- gepolariseerde incidentie wordt niet beïnvloed door de periode in y (x )-richting. Om dit te bewijzen, analyseren we de invloed van de periode in de y (x )-richting op de fase en transmissie wanneer de x (j )-gepolariseerd licht valt op de uniforme meta-oppervlakken die respectievelijk zijn geconstrueerd door de eenheden 1, 2, 3 en 4 in array B(A). Figuur 5 a en b tonen dat wanneer de periode Py in de y -richting varieert van 190 tot 210 nm, de faseveranderingen van vier soorten meta-oppervlakken zijn altijd minder dan 0,05π en de transmissies hebben bijna geen veranderingen onder x -gepolariseerde incidentie. Hetzelfde fenomeen doet zich voor wanneer de periode Px in de x -richting varieert van 190 tot 210 nm onder y -gepolariseerde incidentie zoals getoond in Fig. 5c en d. We denken dat de faserespons en transmissie onder x (j )- gepolariseerde incidentie is bijna onafhankelijk van de periode in y (x )-richting in dit geval. Daarom is ons ontwerpproces duidelijk en de methode is duidelijk eenvoudig. In Ref [30], om twee tegengestelde transmissiefasegradiënten te introduceren voor de lineair x -polarisatie en y -polarisatie langs de x -richting, geometrische parameters van eenheid, breedte en lengte worden gelijktijdig geselecteerd door faseresponsverandering te berekenen met de twee parameters onder de x en y lineair gepolariseerde incidentie. Er zijn geen duidelijke regels voor de selectie van de breedte en lengte van de eenheden.

De faserespons en transmissie als de functies van de periode in y (x )-richting wanneer de x (j )-gepolariseerd licht valt in op de uniforme meta-oppervlakken die respectievelijk zijn geconstrueerd door de eenheden 1, 2, 3 en 4 van array B(A). een fasereactie en b transmissie als de functies van Py . c fasereactie en d transmissie als de functies van Px

Conclusies

Samenvattend ontwerpen we een polarisatiebundelsplitser op basis van het volledig diëlektrische meta-oppervlak in het zichtbare gebied. Het meta-oppervlak is samengesteld uit kruisvormige silicium nanoblokarrays die bovenop een diëlektrisch siliciumdioxidesubstraat zijn geplaatst. Wanneer het invallende licht gepolariseerd is onder een hoek van 45° ten opzichte van x -richting, identieke intensiteiten van de x - en y -gepolariseerde uitgangssignalen zijn 0,336 bij de werkende golflengte 583 nm, wat goed is voor 46,3% van de totale transmissie-intensiteit. Bovendien vertoont het voorgestelde apparaat een gelijk-vermogen polarisatiebundelsplitsingsprestatie voor 45° gepolariseerde inval binnen het golflengtegebied van 579 tot 584 nm. We verwachten dat de polarisatiebundelsplitser verder kan worden toegepast in de toekomstige volledig optische geïntegreerde apparaten.

Afkortingen

dx :: Afstand tussen aangrenzende eenheden langs de x -richting
dϕ :: Faseverschil tussen aangrenzende eenheden langs de x -richting
FDTD:: Tijdsdomein met eindig verschil
Ik _uit :: Totale transmissie-intensiteit
Ik _{x-pol .} :: Intensiteit van x -gepolariseerde uitgezonden straal
Ik _y-pol. :: Intensiteit van y -gepolariseerde uitgezonden straal
MMI:: Multimode interferentie
n _ik :: Brekingsindex van het incidentmedium
n _t :: Brekingsindex van het verzonden medium
Si₃ N₄ :: Siliciumnitride
SiO₂ :: Silica
TiO₂ :: Titaandioxide
θ _ik :: Invalshoek
θ _t :: Hoek van afwijkende breking
λ ₀ :: Incidentgolflengte in vacuüm

Een nieuw contrastmiddel op basis van magnetische nanodeeltjes voor cholesteroldetectie als biomarker voor de ziekte van Alzheimer Een nanoschaal low-power weerstandloze spanningsreferentie met hoge PSRR

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal