Ultra-dun broadband kwartgolfplaat met zilveren gatarrassen en plasmonische resonanties

Samenvatting

De controle van de polarisatiestaten van licht speelt een cruciale rol in moderne optische systemen. Traditionele polarisatie-manipulerende apparaten hebben echter vaak een smalle bandbreedte en hun grote afmetingen bemoeilijken de miniaturisatie en integratie van optische systemen. Dit werk presenteert een ultra-dunne kwartgolfplaat met een periodiek zilveren filmmet een 2 × 2 rechthoekig gatarray met een dikte kleiner dan λ/50. Numerieke simulaties tonen aan dat de golfplaat een circulaire gepolariseerde golf efficiënt kan omzetten in een lineair gepolariseerde golf bij 1550 nm, met een bandbreedte van 525 nm. Bovendien kan de kwartgolfplaat lineaire polarisatie efficiënt omzetten in circulaire polarisatie bij 1550 nm, met een ellipticiteit dicht bij 1. Door een array van kleine gaten in een metalen film te gebruiken om de transmissie te verbeteren, kan deze structuur de transmissie verhogen tot 0,44. De broadband kwartgolfplaat kan worden gebruikt in communicatiesystemen en nabij-infraroodsystemen, en geïntegreerd worden met andere optische apparaten op nanoschaal voor polarisatiebewerking, detectie en sensing.

Inleiding

Er is een groeiend belangstelling voor het manipuleren van de polarisatie van licht in diverse optische toepassingen, zoals polarisatoren, golfplaten en lenzen. Onder deze zijn golfplaten belangrijke fotonische componenten omdat ze een specifieke faseverschil kunnen introduceren, zoals π/2 en π, om verschillende gepolariseerd licht te produceren voor een kwart- of halfgolfplaat. Traditioneel golfplaatontwerp gebruikt de birefringentie van kristallen om verschillende fasen op het invalslicht te leggen. Echter, het birefringentie-effect is zeer zwak in natuurlijke kristallen, wat resulteert in golfplaten met een dikte van verschillende honderden micrometers. Voluminieuze optische componenten lijden vaak onder moeilijkheden bij integratie en diepgang van fasemodulatie [1,2,3,4]. In de afgelopen jaren heeft het opkomen van nanofotonica een nieuwe richting geopend voor het bestuderen van de interactie tussen licht en materie. Met name nanofotonische apparaten (dikte van enkele tientallen nanometers) kunnen de diffractielimiet doorbreken zonder elektromagnetische interferentie. Ze hebben groot potentieel om grootschalige apparaten te vervangen. Daarbij trekken nanofotonische apparaten gebaseerd op metasurfaces steeds meer aandacht. De ontwikkeling van metasurfacetheorie en fabricagetechnologie maakt het mogelijk om nanodevices te ontwikkelen [5].

Metasurfaces zijn vlakke structuren die de polarisatie, fase en amplitude van licht lokaal wijzigen in reflectie of transmissie, wat lithografisch gepatroonneerde platte optische componenten met door ontwerp bepaalde functionaliteiten mogelijk maakt. Ze hebben meestal een dikte kleiner dan de golflengte. Tijdens transmissie of reflectie produceren anisotrope metasurfaces verschillende fase en amplitude voor TE- en TM-golven, wat grote flexibiliteit biedt voor het ontwerp van functionele metasurfaces. Hiermee kunnen we lenzen, faseplaten, golfplaten, polarisatoren, bundelsplitters, willekeurige vectorbundelgeneratoren en meer ontwerpen [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17].

Metasurface kwartgolfplaten gebaseerd op plasmonresonanties zijn de laatste jaren een hot topic [18,19,20,21,22,23,24], en gepubliceerde literatuur wijst op een continue vooruitgang in dit gebied. In 2011 ontwierpen Zhao et al. een orthogonale verlengde zilveren nanostafarray als broadband kwartgolfplaat en bestudeerden de prestaties. Het kon een 90° faseverschuiving introduceren over een dikte van 60 nm [25]. Geïnspireerd door het principe van Babinet, ontwierpen dezelfde onderzoekers in 2013 een kwartgolfplaat van nanoslitten en realiseerden circulaire-naar-lineaire (CTL) polarisatieconversie in het zichtbare lichtgebied. De dikte van de metallagen werd verminderd tot 40 nm [26]. De bovenstaande twee ontwerpen hebben een brede band voor CTL-polarisatie. Het is echter moeilijk om dezelfde amplitude van twee orthogonaal gepolariseerde bundels te bereiken. Kort na het baanbrekende werk van Zhao et al. stelden Roberts et al. in 2012 een kwartgolfplaat voor met een periodieke array van kruisvormige openingen in een zilveren film. De transmissie-efficiëntie en fase (voor vaste armbreedte) van de golfplaat zijn gevoelig voor de lengte van de betreffende arm. De conversie van lineaire-naar-circulaire (LTC) polarisatie wordt bereikt bij enkele discrete golflengtes van 710 tot 760 nm, en de dikte van de zilveren film is 140 nm [27]. Het kan LTC-polarisatie goed realiseren, maar de golflengte is vastgelegd op specifieke golflengtes en de metallagen is relatief dik. Op dezelfde manier, gebaseerd op de anisotropie veroorzaakt door de armlengte in orthogonale richtingen, stelden Yang et al. in 2013 een kwartgolfplaat voor bestaande uit een periodieke planaire array van symmetrische L-vormige plasma-antennes. De ellipticiteit van het getransmitteerde licht kan 0,994 bereiken bij 1550 nm. De bandbreedte met een ellipticiteit groter dan 0,9 is 80 nm [28]. De circulaire polariseerbaarheid van de golfplaat is bijna 1, maar de bandbreedte is niet ideaal. Door de nano-antennes in de supercellen zorgvuldig te ontwerpen, realiseerden Li et al. in 2015 een kwartgolfplaat bestaande uit een 20-nm-dikke goud nanostafarray. Het kan theoretisch de conversie van CTL-polarisatie en de omgekeerde transformatie rond 1550 nm realiseren. De circulaire polariseerbaarheid is 0,67 en de transmissie-efficiëntie is 0,4 [29]. De ultra-dunne structuur kan CTL-polarisatie in een brede band realiseren, maar de ellipticiteit (amplituderatio) van LTC-polarisatie bij 1550 nm is laag. Verder stelden Zhu et al. in 2017 een gebroken rechthoekige ringarray kwartgolfplaat voor. Deze wordt gevormd door twee paren sleuven met loodrechte orientatie in een 10-nm-dikke zilveren film. Het heeft een CTL-polarisatiebandbreedte van 120 nm. Ook kan de golfplaat LTC-transformatie bereiken met een circulaire polariseerbaarheid van 0,97 en een transmissie-efficiëntie van 0,4 bij 1550 nm [30]. Het bereikt hoge polarisatieconversie ten koste van bandbreedte.

Uit de bovenstaande voorbeelden blijkt dat een ideale geminiaturiseerde transmissie kwartgolfplaat voor het communicatieband de volgende kenmerken moet hebben: ten eerste kan het de conversie van CTL-polarisatie (LTC-polarisatie) in een brede band realiseren. Ten tweede kan het de circulaire polariseerbaarheid dicht bij 1 bereiken bij 1550 nm. Ten derde moet de algehele transmissie zo hoog mogelijk zijn (de maximale transmissie van een ultra-dunne kwartgolfplaat zonder verlies moet 0,5 zijn, berekend met de oppervlakte-admittantietheorie). Ten vierde moet het ultra-dun en kosteneffectief zijn. Maar vooralsnog zijn de meeste nog theoretische ontwerpen, en zijn er weinig experimenten uitgevoerd. Omdat de hoogte-breedteverhouding te hoog is, of de structurele parameters te gevoelig zijn voor fouten, beïnvloedt dit de prestaties van de daadwerkelijke kwartgolfplaten.

Op basis van de vier bovengenoemde kenmerken stellen we een transmissie kwartgolfplaat voor voor het communicatieband. De eenheidscel bestaat uit een 27-nm-dikke gegolven zilveren film en een silica-substraat. Het ontwerp met vier gaten vermijdt het nadeel van de smalle bandbreedte van een enkele resonator. Ze kunnen gelokaliseerde oppervlakteplasmonen versterken, waardoor de fase-anisotropie toeneemt om abrupte fasverschuivingen te introduceren, en de dikte van de metallagen aanzienlijk verminderen. Bovendien kan de golfplaat een faseverschil van 90° bereiken in een bandbreedte van 525 nm. Met name is de circulaire polariseerbaarheid bijna 1 met een transmissie-efficiëntie van 0,44 bij 1550 nm.

Methoden

Figuur 1 toont schematisch een eenheidscel van de voorgestelde plasmonische kwartgolfplaat: een gegolven zilveren film geplaatst op een silica-substraat. Vier rechthoekige openingen zijn gerangschikt in twee rijen en twee kolommen. De golfplaat is ondergedompeld in een luchtomgeving met brekingsindex n = 1. De silica wordt verondersteld non-dispersief te zijn (\( {\varepsilon}_{SiO_2}=1,47 \)), en de permittiviteit van zilver wordt beschreven door het Drude-model [25]:

$$ {\varepsilon}_{Ag}={\varepsilon}_0\left[{\varepsilon}_{\infty }-\frac{f_p^2}{f\left(f- i\gamma \right)}\right] $$ (1)

waarbij ε_∞=5, f_p = 2,175 PHz, en γ = 4,35 THz. De dikte van het silica-substraat en de zilveren film is vastgelegd op H₁ = 30 nm en H₂ = 27 nm, de periode van de eenheid is P_x = 1200 nm en P_y = 500 nm, de lengte en breedte van de zilveren film zijn L_x = 450 nm en L_y = 480 nm, respectievelijk. De interne afmetingen van de openingen W_y = 80 nm blijft constant, en de lengte W_x is variabel. De centra van de openingen zijn x = ±75 nm, y = ±110 nm. De numerieke simulatie wordt uitgevoerd met driedimensionale finite-differentie time-domain (FDTD) methoden, waarin periodieke randvoorwaarden worden toegepast in de x- en y-richting, en perfect matched layers worden gebruikt in de z-richting om volledige absorptie van de excitatielicht zonder reflectie te garanderen. vlakke golven vallen normaal in vanaf de onderkant van het substraat binnen het golflengtegebied van 1000 tot 2000 nm. T is de genormaliseerde totale transmissie, en de transmissie in x- en y-richting is T_x en T_y, respectievelijk. We beschouwen eerst de transmissie-eigenschappen van een ultra-dunne planaire metasurface met subgolflengte dikte d ≪ λ₀ geplaatst op het vlak z = 0. De transmissie kan eenvoudig worden uitgedrukt met de Jones-matrix:

$$ \boldsymbol{T}=\left(\begin{array}{cc}{T}_{xx}& {T}_{xy}\\ {}{T}_{yx}& {T}_{yy}\end{array}\right) $$ (2)

waarbij T_ij de complexe amplitude van de getransmitteerde golf voorstelt, lineair gepolariseerd in de i-richting voor excitatie in de j-richting. Dus, T_xx en T_yy zijn de co-polarisatie transmissiecoëfficiënten, en T_xy en T_yx zijn de cross-polarisatie transmissiecoëfficiënten. Rekening houdend met de inkomende vlakke golf die voortplant in de +z-richting, kan het elektrische veld worden uitgedrukt als:

$$ {\boldsymbol{E}}_{in}\left(\boldsymbol{r},t\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_x\\ {}{I}_y\end{array}\right){e}^{i\left( kz-\omega t\right)} $$ (3)

waarbij ω de frequentie voorstelt, k de golfvector, en I_x, I_y de complexe amplitudes. De matrix I =\( \left(\begin{array}{c}{I}_x\\ {}{I}_y\end{array}\right) \) bepaalt de polarisatiestoestand en de totale intensiteit van de golf. Wanneer lineair gepolariseerd licht normaal invalt onder een polarisatiehoek van 45° ten opzichte van de x-as, ∣ I_x∣ = |I_y∣ = \( \frac{1}{\sqrt{2}} \). Het getransmitteerde elektrische veld kan worden beschreven als:

$$ {\boldsymbol{E}}_t\left(\boldsymbol{r},t\right)=\left(\begin{array}{c}{T}_x\\ {}{T}_y\end{array}\right){e}^{i\left( kz-\omega t\right)} $$ (4)

De invals- en transmissievelden zijn gecorreleerd door de Jones-matrix: E_t = TE_in, dat wil zeggen:

$$ \left(\begin{array}{c}{T}_x\\ {}{T}_y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{T}_{xx}& {T}_{xy}\\ {}{T}_{yx}& {T}_{yy}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{I}_x\\ {}{I}_y\end{array}\right) $$ (5)

Voor een medium dat geen lineaire polarisatieconversie heeft (T_xy en T_yx gelijk aan nul [25, 27]), kan het getransmitteerde veld worden uitgedrukt als [16]:

$$ \left(\begin{array}{c}{T}_x\\ {}{T}_y\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{T}_{xx}{I}_x\\ {}{T}_{yy}{I}_y\end{array}\right) $$ (6)

Het faseverschil is △φ = φ_y - φ_x tussen de transmissiecoëfficiënten T_xx en T_yy. Voor een kwartgolfplaat moet △φ gelijk zijn aan (2 m + 1)π/2, waar m een integer is.

Resultaten en discussie

Gesimuleerde fasverschuivingen φ_x, φ_y en hun verschil worden getoond in Fig. 2a. Het △φ daalt scherp bij 1200 nm en stabiliseert uiteindelijk rond △φ = 90°. De transmissiecurven en faseverschil in de buurt van 1550 nm worden getoond in Fig. 2b. Over het algemeen kan een kwartgolfplaat met een faseverschil van 90° ± 5° als normaal werkend worden beschouwd. Voor 1328 nm is △φ = 95°, en voor 1853 nm is △φ = 85°, wat betekent dat binnen de nabij-infrarood bandbreedte 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 kwartgolfplaten.

De veranderlijke grootte W_x van het gat heeft verschillende effecten op x- en y-polarisatie. Figuur 2c toont de transmissie wanneer W_x verandert. De piek van T_y en de zeer scherpe piek van T_x bij 1200 nm zijn gerelateerd aan P_x = 1200 nm. De voorwaarde voor Wood-anomaliën is λ = p(sinθ_i + 1) [31, 32] en θ_i is 0 voor normaal inval; dus de piek treedt op wanneer λ = P_x. Ook, met de afname van P_y, verschuift de dal van T_x naar de korte golflengte richting, en T_y beweegt naar de lange golflengte richting, wat resulteert in de verandering van de golflengte en transmissie die overeenkomen met het snijpunt van de twee curven. Bovendien toont de kleine afbeelding de snijpunten van T_x en T_y wanneer W_x verandert van 50 tot 100 nm. Dit betekent dat de ellipticiteit |T_y|/|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-admittantiemethode in eerdere literatuur [28]. Bovendien, wanneer de openingbreedte W_x wordt verhoogd van 50 tot 100 nm, verschuift de werkende golflengte 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. bij verschillende W_x. Uit Fig. 3a, b is te zien dat er nauwelijks MD-resonantie is in twee polarisatierichtingen en dat er ED-resonantie bestaat bij 1550 nm voor x-polarisatie en 1600 nm voor y-polarisatie. Figuur 3c toont de intensiteit en richting van het elektrisch veld onder x-pol. inval (λ = 1550 nm) en Fig. 3d voor y-pol. (λ = 1600 nm). De ED-resonanties zijn zichtbaar uit de richting aangegeven door de vectorpijlen. De verandering van W_x heeft weinig effect op de dipoolresonantie van x-pol., maar y-pol. wordt relatief beïnvloed. Door het bereik van Wood-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 in het nabij-infraroodband te verkrijgen. Het biedt ook een nieuw idee voor het ontwerp van metasurface golfplaten [33,34,35,36,37,38,39,40,41].

Om het werkingsband van de kwartgolfplaten en de prestaties bij de communicatiegolflengte rond 1550 nm te onderzoeken, delen we de vergelijkingen in vier delen (getoond in Tabel 1): circulaire polariseerbaarheid bij 1550 nm, transmissie-efficiëntie bij 1550 nm, de dikte en de bandbreedte van circulaire polarisatie naar lineaire polarisatie conversie.

Door de vijf structuren te vergelijken, vinden we dat, hoewel structuur a de hoogste transmissie-efficiëntie en een brede band heeft, het volledig onmogelijk is om circulaire polarisatie bij 1550 nm te bereiken, en het heeft een zeer grote dikte. Structuur d heeft de hoogste circulaire polariseerbaarheid, een hoge transmissie-efficiëntie en de dikte staat op de tweede plaats van de 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. Ultra-dunne golfplaten e en f hebben dezelfde dikte van 10 nm en dezelfde laagste transmissie-efficiëntie. Echter, bij vergelijking van circulaire polariseerbaarheid presteert e beter dan f, en wat bandbreedte betreft is f veel beter dan e. Hoewel structuur f de wijdste band heeft, zijn de andere drie indicatoren allemaal de slechtste, en is het onmogelijk om circulaire polarisatie bij 1550 nm te bereiken. Structuur g realiseert niet alleen de LTC/CTL-transformaties efficiënt en perfect, maar heeft ook de kenmerken van kleine dikte en brede werkband. Dit is het resultaat van het afwegen van de benodigde prestaties van een kwartgolfplaat. Combineren van bestaande nanofabricagetechnologie met gepubliceerde literatuur laat zien dat onze kwartgolfplaat experimenteel kan worden gemaakt. Over het algemeen kunnen we het experiment in drie stappen volbrengen: ten eerste worden rechthoekige patronen gedefinieerd op de ZEP520 resistlaag door elektronenbundellithografie (EBL) op silica-substraat; ten tweede wordt een kwartgolfplaat supercel complementaire structuur array verkregen door elektronenbundelbelichting; ten derde wordt een dunne zilverlaag gedeponeerd door elektronenbundelverdamping; laatste stap, ongewenste materialen worden verwijderd door een lift-off of etch-back proces. Referentie [25] gebruikte dezelfde procedure om een goud nanostaf kwartgolfplaat te maken. De dikte van de zilveren nanostaven is 60 nm, en de smalste breedte is 20 nm. De diepte-breedteverhouding is 3, wat betekent dat het relatief moeilijk is om te fabriceren. Referentie [16] maakte een kwartgolfplaat met dezelfde processen. De dikte van de goudfilm is 35 nm, en de smalste metaalkloof is slechts 10 nm. Hoewel onvermijdelijke dikte-inhomogeniteit en materiaalverliezen de resonantiekracht bij kortere golflengtes verminderen, stemmen de metingen goed 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-breedteverhouding is ongeveer 0,5. Bovendien, zoals getoond in de kleine afbeelding van Fig. 2c, wanneer de openingbreedte W_x wordt verhoogd van 80 tot 100 nm, verschuift de werkende golflengte van 1545 (transmissie van ongeveer 0,432) naar 1550 nm (transmissie van ongeveer 0,44). Dit betekent dat de structuur van het papier een goede robuustheid heeft en niet sterk beïnvloed zal worden door experimentele fouten.

Daarom vermijdt de meervoudige openingstructuur het idee van het introduceren van anisotroop faseverschil door slanke structuren (die moeilijk te construeren zijn) en biedt een nieuwe richting voor het ontwerp van kwartgolfplaten.

Conclusies

We hebben numeriek een realiseerbare broadband transmissieve kwartgolfplaat bij communicatiegolflengte overwogen, die een periodieke array van subgolflengte gaten op een 27-nm-dikke zilveren film heeft. Door de plasmonische resonanties, elektrische dipoolresonanties en Wood-anomaliën aan te passen, kan het een brede circulaire-naar-lineaire polarisatieband (525 nm) en een hoge transmissie-efficiëntie van 0,44 bereiken, wat dicht bij de theoretische maximumwaarde van 0,5 ligt berekend met de oppervlakte-admittantietheorie. Met name bij 1550 nm is de ellipticiteit 1, wat de conversie van lineaire naar circulaire polarisatie perfect realiseert. Door analyse geloven we dat deze structuur goed kan werken als een kwartgolfplaat vanwege zijn goede robuustheid. Dit wordt verwacht te worden gebruikt in geminiaturiseerde optische componenten zoals polarisatiemanipulatie, optische sensing en communicatiefuncties.

Beschikbaarheid van data en materialen

De datasets gegenereerd tijdens en/of geanalyseerd tijdens de huidige studie zijn beschikbaar bij de corresponderende auteurs op redelijke verzoek.

Afkortingen

CTL:

Circulair-naar-lineair

LTC:

Lineair-naar-circulair

FDTD:

Finite-differentie time-domain

θ_i:

De invalshoek van de golf

x-pol.:

x-polarisatie

y-pol.:

y-polarisatie

SiO₂:

Silica

Ag:

Zilver

Au:

Goud