Divisor de Feixe de Polarização de Alta Eficiência no Visível Usando Metassuperfícies All-Dieletricas

Resumo

Apresentamos uma metassuperfície gradiente all-dielétrica composta por array periódico de nanoblocos de silício em forma de cruz sobre substrato de sílica fundida que funciona como divisor de feixe de polarização no espectro visível. Engenhando dois gradientes de fase de transmissão opostos ao longo da direção x para luz linearmente x- e y-polarizada, a metassuperfície direciona as duas polarizações ortogonais para ângulos simétricos em ambos os lados do feixe incidente no plano x-z. Para polarização incidente a 45°, os componentes transmitidos x- e y-polarizados exibem intensidade quase igual entre 579-584 nm. O dispositivo oferece solução compacta e ultrafina para sistemas ópticos de espaço livre requerendo divisão de polarização de alta eficiência.

Introdução

Metassuperfícies — arrays bidimensionais de nanoantenas subcomprimento de onda — emergiram como plataformas poderosas para manipular fase, amplitude e polarização da luz com perfis ultrafinos. Comparadas com óptica bulk, metassuperfícies permitem dispositivos compactos, de baixa perda, mais fáceis de fabricar. Já permitiram conversores de polarização, holografia, lentes planas e divisores espectrais.

Metassuperfícies metálicas originalmente alcançaram desvio de feixe via duas ressonâncias de fase π ou fase geométrica, mas sua absorção intrínseca limita eficiência de transmissão. Metassuperfícies all-dielétricas, primariamente baseadas em silício, contornam estas perdas e oferecem várias rotas para controle de fase 2π completo: fase geométrica, ressonâncias Mie sobrepostas (metassuperfícies Huygens) e ressonâncias Fabry-Pérot em antenas de alto aspecto. Neste trabalho, exploramos a última abordagem, tratando cada bloco de silício como guia de onda truncado cujo índice efetivo governa a fase de transmissão.

Divisores de feixe de polarização (PBS) são vitais em muitas arquiteturas ópticas. Designs PBS existentes empregam grades subcomprimento de onda, acopladores plasmonicos híbridos ou estruturas de interferência multimodo. Aqui propomos um PBS simples, de grande ângulo, construído de array de silício em forma de cruz que alcança divisão de potência igual para polarização incidente a 45°, operando eficientemente em comprimentos de onda visíveis.

Métodos

A Figura 1 ilustra o layout da metassuperfície: rede quadrada de blocos de silício em forma de cruz (altura 260 nm) repousa sobre substrato de sílica índice 1,45. Constantes de rede são P_x = P_y = 200 nm. Simulações FDTD 3D (condições de contorno periódicas em x e y, camadas perfeitamente casadas ao longo de z) modelam ondas planas de incidência normal vindo de baixo.

Cada bloco cruz é equivalente a duas barras de silício ortogonais: uma com largura fixa w (70 nm) e comprimento variável ao longo do eixo de polarização incidente. Para incidência y-polarizada, os comprimentos L_y (60-200 nm) sintonizam a fase de transmissão mantendo w constante. Similarmente, para incidência x-polarizada, os comprimentos L_x são variados. Quatro células unitárias discretas (ver Fig. 2) abrangem faixa de fase 0-2π com passo de fase de ±π/2 entre células adjacentes, criando gradientes de fase opostos para as duas polarizações.

Usando a lei de Snell generalizada

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

o ângulo de refração anômalo é determinado pelo gradiente de fase dΦ/dx. Para luz y-polarizada, dΦ = –π/2; para luz x-polarizada, dΦ = +π/2. Isso resulta em desvio de 46,8° a 583 nm.

Resultados e Discussões

Simulações confirmam o desvio previsto de 46,78° para ambas polarizações. Figura 3a mostra campo elétrico no plano x-z para incidência x-polarizada, correspondendo ao ângulo teórico. Intensidade de campo distante (Fig. 3b) resulta em transmissão total de 69,7% e eficiência de desvio de 63,7% — limitada principalmente por 12,5% reflexão de interface, 17,8% absorção no silício e 6% ordens de difração indesejadas.

Para incidência y-polarizada, ângulo de desvio é –46,78°, com eficiência de desvio de 66,4% e transmissão total de 75,2%. Desprezando absorção no silício, eficiências poderiam aproximar 90% — em par com designs PBS de metassuperfície de silício prévios.

Quando onda plana linearmente polarizada a 45° do eixo x ilumina a metassuperfície, o dispositivo excita simultaneamente as duas ressonâncias ortogonais, gerando saídas x- e y-polarizadas de intensidade igual. Figura 4c mostra campos elétricos extraídos; Fig. 4b mostra intensidades de campo distante, cada 0,336 da potência incidente. Assim, 46,3% da energia total transmitida é canalizada nas ordens de difração +1 e –1 para as duas polarizações, enquanto a ordem 0 responde por apenas 7,4%. Entre 579-584 nm, diferença de intensidade entre as duas saídas permanece abaixo de 2%, confirmando divisão de potência igual em banda larga.

Efeitos de periodicidade foram examinados variando constante de rede na direção ortogonal (190-210 nm). Mudanças de fase e transmissão foram desprezíveis (<0,05π), confirmando independência do design de acoplamento cruzado e simplificando fabricação.

Conclusões

Projetamos uma metassuperfície all-dielétrica de silício em forma de cruz que funciona como divisor de feixe de polarização de alta eficiência no visível. O dispositivo divide luz polarizada a 45° em componentes x- e y- de potência igual a 583 nm com ângulo de desvio de 46,8° e eficiência de desvio 63-66%. Sua pegada compacta, ultrafina e desempenho de divisão de potência igual em banda larga tornam-no atrativo para integração em circuitos fotônicos all-ópticos de próxima geração.