Hoog-efficiënte Zichtbare-licht Polarisatie Bundelsplitser met All-dielektrische Metasurfaces

Samenvatting

We presenteren een all-dielektrische gradiënt-metasurface samengesteld uit een periodieke array van kruisvormige silicium-nanoblokken op een gesmolten-silica-substraat die fungeert als een polarisatie-bundelsplitser in het zichtbare spectrum. Door twee tegenovergestelde transmissie-fase-gradienten langs de x-richting te ontwerpen voor lineair x- en y-gepolariseerd licht, stuurt de metasurface de twee orthogonale polarisaties naar symmetrische hoeken aan weerskanten van de incidentale bundel in de x–z vlak. Voor een 45° incidente polarisatie vertonen de getransmitteerde x- en y-gepolariseerde componenten bijna gelijke intensiteit over 579–584 nm. Het apparaat biedt een compacte, ultradunne oplossing voor vrijruimte-optische systemen die hoog-efficiënte polarisatiesplitsing vereisen.

Inleiding

Metasurfaces – twee-dimensionale arrays van subgolflengte nano-antennes – zijn uitgegroeid tot krachtige platforms voor het manipuleren van lichtfase, -amplitude en -polarisatie met ultradunne profielen. Vergeleken met bulkoptica, maken metasurfaces compacte, laag-verlies apparaten mogelijk die gemakkelijker te fabriceren zijn. Ze hebben al polarisatieconverters, holografie, vlakke lenzen en spectrale splitters mogelijk gemaakt.

Metallische metasurfaces bereikten oorspronkelijk bundeldeflectie via twee π-fase-resonanties of geometrische fase, maar hun intrinsieke absorptie beperkt transmissie-efficiëntie. All-dielektrische metasurfaces, primair gebaseerd op silicium, omzeilen deze verliezen en bieden verschillende routes naar volledige 2π-fasecontrole: geometrische fase, overlappende Mie-resonanties (Huygens-metasurfaces) en Fabry-Pérot-resonanties in hoog-aspect-ratio antennes. In dit werk benutten we de laatste benadering, waarbij elk siliciumblok als een afgeknotte golfgeleider wordt behandeld wiens effectieve index de transmissiefase bepaalt.

Polarisatie-bundelsplitters (PBS) zijn vitaal in veel optische architecturen. Bestaande PBS-ontwerpen gebruiken subgolflengte roosters, hybride plasmonische koppelaars of multimode-interferentie-structuren. Hier stellen we een eenvoudige, grote-hoek PBS voor opgebouwd uit een kruisvormige silicium-array die gelijke-vermogenssplitsing bereikt voor 45° incidente polarisatie, efficiënt werkend bij zichtbare golflengtes.

Methodes

Figuur 1 illustreert de metasurface-layout: een vierkante rooster van kruisvormige silicium-blokken (hoogte 260 nm) rust op een 1,45-index silica-substraat. De roosterconstanten zijn P_x = P_y = 200 nm. Drie-dimensionale FDTD-simulaties (periodieke randen in x en y, perfectly matched layers langs z) modelleren normale-incidentie vlakke golven van beneden.

Elk kruisblok is equivalent aan twee orthogonale silicium-staven: één met vaste breedte w (70 nm) en variabele lengte langs de incidente polarisatie-as. Voor y-gepolariseerde incidentie, stellen de lengtes L_y (60–200 nm) de transmissiefase in terwijl constante w behouden blijft. Op dezelfde manier, voor x-gepolariseerde incidentie, worden de lengtes L_x gevarieerd. Vier discrete eenheidscellen (zie Fig. 2) beslaan een 0–2π fasebereik met een fasestap van ±π/2 tussen aangrenzende cellen, wat tegenovergestelde fase-gradienten voor de twee polarisaties creëert.

Schematische configuratie van de kruisvormige metasurface die fungeert als polarisatie-bundelsplitser

Met behulp van de gegeneraliseerde Snell-wet

\[\frac{n_{t}\sin\theta_{t}-n_{i}\sin\theta_{i}}{\lambda_{0}}=\frac{1}{2\pi}\frac{d\Phi}{dx}\]

wordt de anomale brekingshoek bepaald door de fase-gradient dΦ/dx. Voor y-gepolariseerd licht, dΦ = –π/2; voor x-gepolariseerd licht, dΦ = +π/2. Dit levert een 46,8° deflectie op bij 583 nm.

Resultaten en Discussies

Simulaties bevestigen de voorspelde 46,78° deflectie voor beide polarisaties. Figuur 3a toont het elektrische veld in het x–z vlak voor x-gepolariseerde incidentie, wat overeenkomt met de theoretische hoek. De ver-veldin intensiteit (Fig. 3b) levert een totale transmissie van 69,7 % en een deflexie-efficiëntie van 63,7 % op – voornamelijk beperkt door 12,5 % interface-reflectie, 17,8 % silicium-absorptie en 6 % ongewilde diffractie-ordes.

De elektrische-velddistributies nabij de metasurface in het x‑z vlak onder a x-gepolariseerde en c y-gepolariseerde incidentie. Genormaliseerde ver-veldin intensiteitsverdelingen voor b x-gepolariseerde en d y-gepolariseerde normaal incidente licht. De werkgolflengte is 583 nm, en de getransmitteerde hoek is gedefinieerd als positieve (negatieve) waarde in de rechter (linker) kant van de normaal.

Voor y-gepolariseerde incidentie is de deflectiehoek –46,78°, met een deflexie-efficiëntie van 66,4 % en totale transmissie van 75,2 %. Bij verwaarlozing van silicium-absorptie, zouden efficiënties kunnen benaderen 90 % – op een par met eerdere silicium-metasurface PBS-ontwerpen.

Wanneer een lineair gepolariseerde vlakke golf op 45° ten opzichte van de x-as de metasurface belicht, exciteert het apparaat de twee orthogonale resonanties gelijktijdig, wat gelijke-intensiteit x- en y-gepolariseerde outputs genereert. Figuur 4c toont de geëxtraheerde elektrische velden; Fig. 4b toont de ver-veldin intensiteiten, elk 0,336 van het incidente vermogen. Dus, 46,3 % van de totale getransmitteerde energie wordt geleid in de +1 en –1 diffractie-ordes voor de twee polarisaties, terwijl de 0-orde slechts 7,4 % telt. Over 579–584 nm blijft het intensiteitsverschil tussen de twee outputs onder 2 %, wat breedbandige gelijke-vermogenssplitsing bevestigt.

a Werkmechanisme van de voorgestelde polarisatie-bundelsplitser (frontview). b Genormaliseerde ver-veldin intensiteit. c De geëxtraheerde getransmitteerde x-gepolariseerde (links) en y-gepolariseerde (rechts) elektrische-velddistributies van de ontworpen metasurface onder de normale incidentie van 45° gepolariseerd licht bij de golflengte van 583 nm.

Periodiciteitseffecten werden onderzocht door de roosterconstante in de orthogonale richting te variëren (190–210 nm). Fase- en transmissieveranderingen waren verwaarloosbaar (<0,05π), wat de onafhankelijkheid van het ontwerp van kruiskoppeling bevestigt en de fabricatie vereenvoudigt.

Conclusies

We hebben een all-dielektrische, kruisvormige silicium-metasurface ontworpen die fungeert als een hoog-efficiënte polarisatie-bundelsplitser in het zichtbare bereik. Het apparaat splitst 45°-gepolariseerd licht in gelijke-vermogen x- en y-componenten bij 583 nm met een 46,8° deflectiehoek en 63–66 % deflexie-efficiëntie. Zijn compacte, ultradunne voetafdruk en breedbandige gelijke-vermogensprestaties maken het aantrekkelijk voor integratie in next-generation all-optische fotonische circuits.