Divisor de feixe de polarização eficiente baseado em metassuperfície totalmente dielétrica na região visível

Resumo

Neste artigo, apresentamos uma metassuperfície de gradiente totalmente dielétrico, composta de arranjos periódicos de nanoblocos de silício em forma de cruz de diferentes tamanhos repousando sobre o substrato de sílica fundida, para realizar a função de divisão de polarização na região visível. As matrizes de blocos de silício em forma de cruz podem induzir dois gradientes de fase de transmissão opostos ao longo do x -direcção para o x linear -polarização e y -polarização. Com um projeto adequado, a metassuperfície pode separar a luz polarizada linearmente em x - e y -polarizados, que se propagam no mesmo ângulo ao longo dos lados esquerdo e direito da incidência normal no x - z avião. Particularmente, quando um feixe com ângulo de polarização de 45,0 ° incide no dispositivo proposto, o x - e y -polarizados transmitidos possuem intensidade quase igual dentro da faixa de comprimento de onda de 579 a 584 nm. Esperamos que o divisor de feixe de polarização proposto possa desempenhar um papel importante para futuros dispositivos ópticos de espaço livre.

Introdução

Nos últimos anos, metassuperfícies, estruturas bidimensionais de comprimento de onda compostas por nanoantenas em uma configuração de arranjo, têm obtido grande atenção. A metassuperfície pode manipular a luz incidente em uma escala de comprimento de onda porque sua espessura estruturada ultrafina introduz mudanças abruptas nos parâmetros do feixe incidente. Por exemplo, a fase [1,2,3,4,5], amplitude [6,7,8,9] e polarização [10,11,12,13] dos feixes incidentes podem ser manipulados ajustando a forma , tamanho e orientação das nanoantenas de comprimento de onda. Em comparação com os materiais volumosos convencionais, os dispositivos metassufrace são mais fáceis de serem fabricados e sua espessura ultrafina no caminho óptico pode suprimir muito as perdas de transmissão. Com base nas vantagens empolgantes acima, metassuperfícies têm sido usadas em muitas aplicações, como conversor de polarização [11,12,13], impressão colorida [14], holografia [15], lentes planas [16], geração de vórtice óptico [ 4, 17] e divisão de espectro [18,19,20,21].

Nanoestruturas metálicas foram utilizadas para constituir metassuperfícies com deflexão de feixe originalmente [1, 22, 23]. A cobertura de fase 2π necessária geralmente pode ser alcançada com base em dois métodos. O primeiro está gerando duas ressonâncias independentes, cada uma das quais introduz uma mudança de fase de π. A outra é girar espacialmente os ressonadores de sub comprimento de onda dependentes da polarização de 0 ° a 180 °. No entanto, as perdas de absorção das metassuperfícies metálicas limitam a eficiência no modo de transmissão. Metassuperfícies totalmente dielétricas têm sido propostas recentemente para substituir as metálicas devido às suas baixas perdas de absorção [24,25,26,27,28]. Até o momento, três abordagens diferentes foram demonstradas para realizar a mudança de fase 2π nas metassuperfícies totalmente dielétricas, fase geométrica [27], ressonância Mie [2, 4, 7] e ressonância Fabry-Pérot [3, 28]. O primeiro método é semelhante à segunda maneira acima de metassuperfície metálica; funciona para luz polarizada circularmente. O segundo mecanismo cobre toda a faixa de fase 2π com base em ressonâncias magnéticas e elétricas sobrepostas espectralmente; a metassuperfície projetada com base nesta forma também é conhecida como metassuperfície de Huygens. O terceiro método, assim como o utilizado neste trabalho, usa nanoantenas de alta razão de aspecto para obter o controle de fase desejado. As antenas podem ser consideradas guias de ondas truncadas neste caso, e a fase de transmissão é manipulada pelo índice de refração efetivo do modo fundamental em antenas dielétricas de tamanhos diferentes. O silício é geralmente aplicado em dispositivos de metassuperfície totalmente dielétricos [2,3,4] por seu alto índice de refração, baixa perda e processo de fabricação maduro. Quanto a alguns outros materiais de baixo índice de refração, como a sílica (SiO ₂ ), nitreto de silício (Si ₃ N ₄ ) e dióxido de titânio (TiO ₂ ), suas perdas podem ser ignoradas, mas as relações de aspecto mais altas tornam a fabricação muito desafiadora.

Divisor de feixe de polarização, um dispositivo que pode separar um feixe óptico em dois componentes polarizados ortogonalmente que se propagam ao longo de caminhos diferentes, é um componente importante em sistemas ópticos. Divisores de feixe de polarização relatados na literatura são projetados principalmente com base nas seguintes estruturas, incluindo estruturas de comprimento de onda [29,30,31], acopladores plasmônicos híbridos [32], grades [33], estruturas de interferência multimodo (MMI) [34] e acopladores direcionais assimétricos [35, 36]. Farahani e Mosallaei [29] propuseram uma meta-superfície refletora de infravermelho para re-irradiar a luz que entra em dois feixes reflexivos polarizados ortogonalmente. Guo et al. [30] projetaram um divisor de polarização baseado em metassuperfícies de silício no comprimento de onda específico de 1500 nm. Neste trabalho, propomos um divisor de feixe de polarização defletido em grande ângulo baseado em metassuperfície dielétrica, que é construído por diferentes matrizes de ressonadores de silício em forma de cruz no topo do substrato de sílica. Quando x - ou y -luz polarizada é normalmente incidente, a direção de polarização da luz transmitida é a mesma da luz incidente. Em um comprimento de onda de 583 nm, o ângulo defletido é 46,78 ° e a eficiência de deflexão é 63,7% sob x -incidência polarizada, enquanto a eficiência de deflexão é de 66,4% e o ângulo de deflexão é de - 46,78 ° para y -polarizado. Além disso, o dispositivo proposto é capaz de separar a luz linearmente polarizada em x - e y -polarizados. Especialmente, quando a polarização da luz incidente está em um ângulo de 45 ° em relação ao x -eixo, dois feixes transmitidos ortogonalmente polarizados possuem intensidades aproximadamente iguais dentro da região de comprimento de onda de 579 a 584 nm.

Métodos

A Figura 1 representa esquematicamente a configuração do dispositivo divisor de feixe de polarização proposto, que é projetado com base em uma metassuperfície totalmente dielétrica. A metassuperfície é composta por uma série de blocos de silício em forma de cruz colocados no substrato de sílica. As constantes ópticas do silício são retiradas da Ref [37], e o índice de refração da sílica é 1,45. A altura do bloco de silício h é definido como 260 nm; o período da célula unitária ao longo do x - e y - as direções são otimizadas para serem Px =200 nm e Py =200 nm. A simulação numérica é realizada por modelos tridimensionais no domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD), nos quais as condições de contorno periódicas são aplicadas em ambos x - e y -direcções e camadas perfeitamente combinadas são usadas ao longo do z -direção. A onda plana é normalmente incidente por baixo do substrato. A matriz de nanoblocos de silício em forma de cruz pode ser vista como composta de duas matrizes de blocos de silício perpendiculares. Uma matriz é que os comprimentos w das antenas ao longo do x -eixo permanece constante enquanto os comprimentos Ly ao longo do y - mudança de eixo para induzir o gradiente de fase sob y -incidência polarizada. Pelo contrário, outro introduz o gradiente de fase para x - iluminação polarizada variando os comprimentos Lx das antenas ao longo do x -direcção e manutenção dos comprimentos w ao longo do y -eixo constante.

Configuração esquemática da metassuperfície em forma de cruz proposta atuando como um divisor de feixe de polarização

Em primeiro lugar, projetamos a matriz de gradiente de fase em y -incidência polarizada. Conforme representado na Fig. 2a eb, calculamos a transmissão e a resposta de fase dos blocos de silício periódicos, alterando a largura w de 60 a 75 nm e o comprimento Ly de 60 a 200 nm no comprimento de onda de 583 nm. Uma cobertura de fase 2π completa não pode ser obtida quando a largura w é menor que 61,5 nm, mas a intensidade da transmissão diminui conforme a largura w aumenta. Considerando a fabricação do processo, entretanto, a largura w da unidade elementar é fixada em 70 nm, e o comprimento Ly é variado para fornecer o controle de fase de transmissão 2π completo conforme ilustrado na Fig. 2c. A transmissão e a resposta de fase em função do comprimento Ly no comprimento de onda 583 nm estão representados na Fig. 2d. Para um grande ângulo de divisão, quatro unidades diferentes são selecionadas para abranger a faixa de fase de 0 a 2π, os comprimentos Ly de quatro elementos são Ly ₁ =169 nm, Ly ₂ =122 nm, Ly ₃ =103 nm, e Ly ₄ =70 nm, respectivamente. De acordo com a lei de Snell generalizada, o ângulo de refração anômala θ _t pode ser obtido pela fórmula,
$$ {n} _ {\ mathrm {t}} \ sin {\ theta} _ {\ mathrm {t}} - {n} _ {\ mathrm {i}} \ sin {\ theta} _ {\ mathrm { i}} =\ frac {\ lambda_0} {2 \ pi} \ frac {d \ Phi} {dx} $$ (1)
onde n _t e n _i são o índice de refração do meio transmitido e incidente, respectivamente, θ _i é o ângulo de incidência, λ ₀ é o comprimento de onda incidente no vácuo, dx e dϕ são a distância e a diferença de fase entre as unidades vizinhas ao longo do x -direção. Em nosso caso, o valor de dϕ é - π / 2 para y -incidência polarizada, que é alcançada diminuindo gradualmente os comprimentos Ly dos nano blocos ao longo do x - direção positiva, como a matriz A representada na Fig. 2e. A fim de realizar a função de divisão de polarização, a diferença de fase dϕ é definido como π / 2 em x -incidência polarizada. Aqui, os comprimentos Lx de quatro unidades ao longo do x - direção positiva são 70 nm, 103 nm, 122 nm e 169 nm, respectivamente, enquanto as larguras w mantenha o mesmo valor 70 nm, conforme a matriz B mostrada na Fig. 2e. Finalmente, as duas matrizes acima são combinadas em uma matriz em forma de cruz para formar a metassuperfície de divisão do feixe de polarização, e as matrizes A e B exibem os gradientes de fase para y - e x -luz incidente polarizada, respectivamente.

Projeto da metassuperfície. a Transmissão e b resposta de fase em função da largura w e comprimento Ly em um comprimento de onda de 583 nm . c Uma unidade de metassuperfície para y -incidência polarizada. d Transmissão e resposta de fase dos nano blocos periódicos com larguras de 70 nm em função do comprimento Ly . e O procedimento de projeto da meta-superfície do divisor de feixe de polarização proposta (vista vertical). Aqui, classificamos as unidades da esquerda para a direita como unidade 1, unidade 2, unidade 3 e unidade 4

Resultados e discussões

O desempenho óptico da metassuperfície em forma de cruz que atua como divisor de feixe de polarização é simulado pelo método tridimensional FDTD. Em nosso caso, o valor de dx é 200 nm, dϕ é π / 2, −π / 2 para x - e y -incidência polarizada, respectivamente. De acordo com a Eq. (1), o feixe transmitido anômalo é desviado em um ângulo de 46,78 ° sob x -incidência normal polarizada em um comprimento de onda de 583 nm. A distribuição do campo elétrico transmitido sob x -iluminação polarizada no x-z plano é representado na Fig. 3a. O ângulo de difração observado 46,78 ° do perfil da frente de onda é consistente com o resultado teórico. O resultado simulado na Fig. 3b mostra que a intensidade normalizada no campo distante sob x -incidência polarizada. A eficiência de transmissão total é de 69,7% e a eficiência de deflexão é de 63,7%, que é causada principalmente pela refletividade da interface (12,5%), a absorção de silício (17,8%) e outras ordens de difração (6%). Aqui, a eficiência de deflexão é definida como a intensidade do feixe defletido na ordem de difração desejada (+ 1, -1 ordem para x - e y -incidência polarizada) normalizada para a intensidade total do incidente. Quando o linear y -luz polarizada é normalmente incidente, o campo elétrico e as distribuições de intensidade de campo distante normalizadas no comprimento de onda de 583 nm são dadas na Fig. 3c e d, respectivamente. O ângulo defletido é - 46,78 ° e a eficiência de deflexão correspondente é 66,4%, enquanto a eficiência total da transmissão é 75,2%. A reflexão pode ser causada principalmente pelo alto índice de refração do silício e espalhamento para trás da borda, e a perda intrínseca de silício na região visível leva à alta absorção. Se as perdas por absorção não forem consideradas em nosso caso, as eficiências de transmissão totais podem atingir cerca de 90% para as duas incidências acima, que são comparáveis aos valores na Ref [30]. O ângulo defletido depende de muitos parâmetros de acordo com a Eq. (1), então ele pode ser manipulado para satisfazer nossas necessidades ajustando os parâmetros, como o período ao longo da direção do gradiente de fase, o comprimento de onda operacional e outros.

As distribuições do campo elétrico perto da metassuperfície no x-z avião sob a x -polarizado e c y -incidência polarizada. Distribuições normalizadas de intensidade de campo distante para b x -polarizado e d y -luz normalmente incidente polarizada. O comprimento de onda operacional é 583 nm, e o ângulo transmitido é definido como valor positivo (negativo) no lado direito (esquerdo) do normal

Uma onda plana polarizada linearmente ( E ) pode sempre ser decomposto em dois componentes ortogonais ( Ex e Ey ), que excitam simultaneamente dois campos de ressonância independentes em x - e y -instruções. Portanto, quando uma onda plana polarizada linearmente é normalmente incidente na metassuperfície, ela pode ser resolvida em x- e y -polarizados, que podem induzir gradientes de fase opostos ao longo do x -direção. A Figura 4a mostra que o diagrama do mecanismo de trabalho do divisor de feixe de polarização proposto, o feixe incidente será dividido em x - e y -polarizados, os ângulos defletidos correspondentes são θ _t e - θ _t , que são determinados pelo comprimento de onda operacional. As intensidades de dois sinais transmitidos são determinadas pelo ângulo polarizado da luz incidente. Quando a polarização da luz incidente está em um ângulo de 45 ° em relação ao x -eixo, o x - e y distribuições de campo elétrico transmitido polarizado extraídas do campo total transmitido conforme ilustrado na Fig. 4c, o que também confirma a função de divisão de polarização deste dispositivo proposto. A distribuição normalizada da intensidade do campo distante para o comprimento de onda operacional 583 nm é representada na Fig. 4b; a intensidade de dois feixes de saída é o mesmo valor 0,336. A intensidade total de transmissão I _fora é 0,726, então a eficiência da luz de saída total é desviada para a ordem de difração + 1 ( x -polarização) e - 1 pedido ( y -polarização) são 46,3%. Aqui, a intensidade da ordem de difração 0 é responsável por 7,4% da transmissão total, que pode ser suprimida otimizando ainda mais os parâmetros geométricos ou formas. Além disso, x - e y - feixes de luz transmitidos polarizados possuem intensidades quase iguais (∣ I _{x - pol .} - eu _{y - pol .} ∣ / eu _{x - pol .} <2%) quando o ângulo de polarização é de 45 ° dentro da faixa de comprimento de onda de 579 a 584 nm. Os ângulos defletidos correspondentes e as intensidades de transmissão em diferentes comprimentos de onda são fornecidos na Tabela 1.

a Mecanismo de funcionamento do dispositivo divisor de feixe de polarização proposto (vista frontal). b Intensidade de campo distante normalizada. c O extraído transmitido x -polarizado (à esquerda) e y distribuições de campo elétrico polarizadas (à direita) da metassuperfície projetada sob a incidência normal de luz polarizada de 45 ° no comprimento de onda de 583 nm

No processo de design acima, idealmente assumimos que a fase e a resposta de transmissão em x ( y ) - a incidência polarizada não é afetada pelo período em y ( x )-direção. Para prová-lo, analisamos a influência do período no y ( x ) -direcção na fase e transmissão quando o x ( y ) -luz polarizada é incidente nas metassuperfícies uniformes construídas pelas unidades 1, 2, 3 e 4 na matriz B (A), respectivamente. As Figuras 5 aeb mostram que quando o período Py no y - a direção varia de 190 a 210 nm, as mudanças de fase de quatro tipos de metassuperfícies são sempre menores que 0,05π e as transmissões quase não têm mudanças sob x -incidência polarizada. O mesmo fenômeno ocorre quando o período Px no x -direcção varia de 190 a 210 nm sob y - incidência polarizada conforme mostrado nas Fig. 5c e d. Achamos que a resposta de fase e transmissão sob x ( y ) - a incidência polarizada é quase independente do período em y ( x ) -direcção neste caso. Portanto, nosso processo de design é claro e o método é obviamente simples. Na Ref [30], a fim de introduzir dois gradientes de fase de transmissão opostos para o x linearmente -polarização e y -polarização ao longo do x - direção, parâmetros geométricos de unidade, largura e comprimento são selecionados simultaneamente calculando a resposta de fase mudando com os dois parâmetros sob o x e y incidência linearmente polarizada. Não existem regras definidas para a seleção da largura e do comprimento das unidades.

A resposta de fase e transmissão como as funções do período em y ( x ) -direcção quando o x ( y ) -luz polarizada é incidente nas metassuperfícies uniformes construídas pelas unidades 1, 2, 3 e 4 da matriz B (A), respectivamente. a resposta de fase e b transmissão como as funções de Py . c resposta de fase e d transmissão como as funções de Px

Conclusões

Em resumo, projetamos um divisor de feixe de polarização com base na metassuperfície totalmente dielétrica na região visível. A metassuperfície é composta por matrizes de nanoblocos de silício em forma de cruz colocados sobre o substrato dielétrico de sílica. Quando a luz incidente é polarizada no ângulo de 45 ° em relação a x -direcção, intensidades idênticas do x - e y Os sinais de saída polarizados são 0,336 no comprimento de onda operacional 583 nm, o que representa 46,3% da intensidade total de transmissão. Além disso, o dispositivo proposto exibe desempenho de divisão de feixe de polarização de potência igual para incidência polarizada de 45 ° dentro da região de comprimento de onda de 579 a 584 nm. Esperamos que o divisor de feixe de polarização possa ser aplicado posteriormente em dispositivos integrados totalmente ópticos no futuro.

Abreviações

dx :: Distância entre unidades vizinhas ao longo do x -direção
dϕ :: Diferença de fase entre unidades vizinhas ao longo do x -direção
FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
I _fora :: Intensidade total de transmissão
I _{x-pol .} :: Intensidade de x - feixe transmitido polarizado
I _y-pol. :: Intensidade de y - feixe transmitido polarizado
MMI:: Interferência multimodo
n _i :: Índice de refração do meio incidente
n _t :: Índice de refração do meio transmitido
Si ₃ N ₄ :: Nitreto de silício
SiO ₂ :: Sílica
TiO ₂ :: Dióxido de titânio
θ _i :: Ângulo de incidência
θ _t :: Ângulo de refração anômala
λ ₀ :: Comprimento de onda do incidente no vácuo

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