Plaque quart d'onde à transmission ultrafine à large bande avec réseau de trous rectangulaires basée sur les résonances plasmoniques

Introduction

Il existe un intérêt croissant pour la manipulation de la polarisation de la lumière dans une variété d'applications optiques, telles que les polariseurs, les plaques d'onde et les lentilles. Parmi celles-ci, les plaques d'onde sont des composants photoniques importants car elles peuvent introduire une différence de phase spécifique, telle que /2 et , pour produire une lumière polarisée différente pour obtenir un quart ou une demi-plaque d'onde. La conception traditionnelle de la plaque d'onde utilise la biréfringence des cristaux pour imposer différentes phases à la lumière incidente. Cependant, l'effet de biréfringence est très faible dans les cristaux naturels, ce qui conduit à des lames d'onde ayant une épaisseur de plusieurs centaines de microns. Les composants optiques encombrants souffrent souvent de difficultés d'intégration et de profondeur de modulation de phase [1,2,3,4]. Ces dernières années, l'émergence de la nanophotonique a ouvert une nouvelle voie pour l'étude de l'interaction entre la lumière et la matière. En particulier, les dispositifs nanophotoniques (épaisseur d'environ dizaines de nanomètres) peuvent franchir la limite de diffraction sans interférence électromagnétique. Il a un grand potentiel pour remplacer les appareils à grande échelle. Parmi eux, les dispositifs nanophotoniques basés sur la métasurface ont attiré de plus en plus l'attention. Le développement de la théorie des métasurfaces et de la technologie de fabrication permet de développer des nanodispositifs [5].

Les métasurfaces sont des structures planes qui modifient localement la polarisation, la phase et l'amplitude de la lumière en réflexion ou en transmission, permettant ainsi des composants optiques plats à motifs lithographiques avec des fonctionnalités contrôlées par conception. Il a généralement une épaisseur inférieure à la longueur d'onde. Dans le processus de transmission ou de réflexion, les métasurfaces anisotropes produisent différentes phases et amplitudes correspondant aux ondes TE et TM, ce qui offre une grande flexibilité pour la conception de métasurfaces fonctionnelles. Nous pouvons l'utiliser pour concevoir des lentilles, des plaques de phase, des plaques d'ondes, des polariseurs, des séparateurs de faisceaux, des générateurs de faisceaux vectoriels arbitraires, etc. [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17].

Les plaques quart d'onde de métasurface basées sur les résonances plasmoniques sont l'un des points chauds de ces dernières années [18,19,20,21,22,23,24], et la littérature chronologique publiée indique un progrès continu dans ce domaine. En 2011, Zhao et al. conçu et étudié les performances d'un réseau de nanotiges d'argent allongées orthogonales en tant que plaque quart d'onde à large bande. Il peut introduire un déphasage de 90° sur une épaisseur de 60 nm [25]. Inspiré par le principe de Babinet, en 2013, le même groupe a conçu une lame quart d'onde de nanofentes et a réalisé une conversion de polarisation circulaire à linéaire (CTL) dans la région de la lumière visible. L'épaisseur de la couche métallique est réduite à 40 nm [26]. Les deux conceptions ci-dessus ont une large bande de polarisation CTL. Cependant, il est difficile d'atteindre la même amplitude de deux faisceaux polarisés orthogonalement. Peu de temps après les travaux pionniers de Zhao et al., en 2012, Roberts et al. a proposé une lame quart d'onde avec un réseau périodique d'ouvertures en forme de croix dans un film d'argent. L'efficacité de transmission et la phase (pour une largeur de bras fixe) de la lame d'onde sont sensibles à la longueur du bras associé. La conversion de la polarisation linéaire à circulaire (LTC) est réalisée à certaines longueurs d'onde discrètes de 710 à 760 nm, et l'épaisseur du film d'argent est de 140  nm [27]. Il peut très bien atteindre la polarisation LTC, mais la longueur d'onde est fixée à des longueurs d'onde spécifiques uniquement et la couche métallique est relativement épaisse. De même, sur la base de l'anisotropie causée par la longueur du bras dans les directions orthogonales, en 2013, Yang et al. ont proposé une lame quart d'onde constituée d'un réseau planaire périodique d'antennes plasma symétriques en forme de L. L'ellipticité de la lumière transmise peut atteindre 0,994 à 1550 nm. La bande passante avec une ellipticité supérieure à 0,9 est de 80 nm [28]. La polarisabilité circulaire de la plaque d'onde est presque unitaire, mais sa bande passante n'est pas idéale. En concevant soigneusement les nanoantennes dans les superuints, en 2015, Li et al. a réalisé une plaque quart d'onde constituée d'un réseau de nanotiges en or de 20 nm d'épaisseur. Il peut théoriquement réaliser la conversion à partir de la polarisation CTL et de la transformation inverse autour de 1550  nm. La polarisabilité circulaire est de 0,67 et l'efficacité de transmission est de 0,4 [29]. La structure ultramince peut réaliser une polarisation CTL dans une large bande, mais l'ellipticité (rapport d'amplitude) de la polarisation LTC à 1550  nm est faible. De plus, en 2017, Zhu et al. a proposé une lame quart d'onde à réseau annulaire rectangulaire brisé. Il est formé de deux paires de fentes d'orientation perpendiculaire noyées dans un film d'argent de 10 nm d'épaisseur. Il a une bande passante de polarisation CTL de 120  nm. En outre, la lame d'onde peut réaliser une transformation LTC avec une polarisabilité circulaire de 0,97 et l'efficacité de transmission est de 0,4 à 1550  nm [30]. Il permet une conversion de polarisation élevée au détriment de la bande passante.

A travers les exemples ci-dessus, en général, en tant que plaque quart d'onde de transmission miniaturisée idéale utilisée dans la bande de communication, elle doit avoir les caractéristiques suivantes :premièrement, elle peut réaliser la conversion de la polarisation CTL (polarisation LTC) en large bande. Deuxièmement, il peut atteindre la polarisabilité circulaire près de l'unité à 1550  nm. Troisièmement, la transmittance globale doit être aussi élevée que possible (la transmittance maximale d'une lame quart d'onde ultramince sans perte doit être de 0,5 calculée par la théorie de l'admittance de surface). Quatrièmement, il doit être ultra-mince et rentable. Mais pour l'instant, la plupart d'entre eux sont encore de conception théorique, et peu d'expériences ont été réalisées. Parce que le rapport hauteur/largeur est trop élevé, ou que les paramètres structurels sont trop sensibles aux erreurs, etc., cela affectera les performances des plaques quart d'onde réelles.

Sur la base des quatre caractéristiques ci-dessus, nous proposons une lame quart d'onde de transmission utilisée en bande de communication. La cellule unitaire est composée d'un film d'argent à trous de 27 nm d'épaisseur et d'un substrat de silice. La conception à quatre trous évite l'inconvénient de la bande passante étroite du résonateur unique. Ils peuvent améliorer les plasmons de surface localisés, augmentant ainsi l'anisotropie de phase pour introduire des déphasages brusques, et réduisant considérablement l'épaisseur de la couche métallique. De plus, la lame d'onde peut atteindre une différence de phase de 90 ° dans une bande passante de 525  nm. En particulier, la polarisabilité circulaire est proche de l'unité avec une efficacité de transmission de 0,44 à 1550 nm.

Méthodes

La figure 1 représente schématiquement une cellule unitaire de la plaque quart d'onde plasmonique proposée, un film d'argent creusant des trous placé sur un substrat de silice. Quatre ouvertures rectangulaires sont disposées sur deux rangées et deux colonnes. La lame d'onde immergée dans un environnement d'air à indice de réfraction n =1. La silice est supposée non dispersive (\( {\varepsilon}_{SiO_2}=1,47 \)), et la permittivité de l'argent est décrite par le modèle de Drude [25] :

Schémas de la lame quart d'onde. Les lumières sont normalement incidentes par le bas. un Vue 3D de la plaque quart d'onde. b Vue de dessus d'une structure d'unité

où ε _∞ =5, f _p =2,175 PHz, et γ =4,35 THz. L'épaisseur du substrat de silice et du film d'argent est fixée à H ₁ =30 nm et H ₂ =27 nm, la période de l'unité est P _x =1200 nm et P _y =500 nm, la longueur et la largeur du film argentique sont L _x =450 nm et L _y =480 nm, respectivement. Les dimensions intérieures des ouvertures W _y =80 nm est maintenu fixe, et la longueur W _x est variable. Le centre des ouvertures est x =±75 nm, y =±110 nm. La simulation numérique est effectuée par des méthodes tridimensionnelles du domaine temporel aux différences finies (FDTD), dans lesquelles les conditions périodiques sont appliquées dans le x- et y- des directions et des calques parfaitement assortis sont utilisés le long de z- direction pour s'assurer que l'absorption complète de la lumière d'excitation sans réflexion. Les ondes planes sont normalement incidentes du dessous du substrat dans la région de longueur d'onde de 1000 à 2000  nm. T est la transmittance totale normalisée, et la transmittance en x- et y -directions est T _x et T _y , respectivement. Nous considérons d'abord les caractéristiques de transmission d'une métasurface plane ultrafine avec une épaisseur inférieure à la longueur d'onde d ≪ λ ₀ placé sur l'avion z =0. La transmission peut être exprimée simplement à l'aide de la matrice de Jones :

où T _ij représente l'amplitude complexe de l'onde transmise, polarisée linéairement dans le i direction d'excitation dans le j direction. Ainsi, T _xx et T _aa sont les coefficients de transmission de copolarisation, et le T _xy et T _yx sont les coefficients de transmission de polarisation croisée. Considérez que l'onde plane entrante se propage le long du +z -direction, le champ électrique peut être exprimé comme :

où ω représente la fréquence, k est le vecteur d'onde, et I _x , Je _y sont les amplitudes complexes. La matrice I =\( \left(\begin{array}{c}{I}_x\\ {}{I}_y\end{array}\right) \) détermine l'état de polarisation et l'intensité totale de l'onde. Lorsque la lumière polarisée linéairement est incidente normalement à un angle de polarisation de 45° par rapport au x- axe, ∣ I _x ∣ =|Je _y ∣ =\( \frac{1}{\sqrt{2}} \). Le champ électrique transmis peut être décrit comme :

Les champs incident et transmission sont corrélés par la matrice de Jones :E _t =T E _dans , c'est

Pour un milieu qui n'a pas d'effet de conversion de polarisation linéaire (T _xy et T _yx égal à zéro [25, 27]), le champ transmis peut être exprimé par [16] :

La différence de phase est △φ =φ _y - φ _x entre les coefficients de transmission T _xx et T _aa . Pour une lame quart d'onde, le △φ doit être égal à (2 m + 1)π/2 , où m est un entier.

Résultats et discussions

Déphasages simulés φ _x , φ _y et là différence sont montrés dans la Fig. 2a. Le △φ chute brusquement à 1200 nm et se stabilise finalement autour de △φ =90°. Les courbes de transmission et la différence de phase près de 1550  nm sont illustrées à la figure 2b. Généralement, une lame quart d'onde avec une différence de phase de 90° ± 5° peut être considérée comme fonctionnant normalement. Pour 1328 nm, le △φ =95°, et pour 1853 nm, △φ =85°, cela signifie que dans la bande passante proche infrarouge de 525  nm, notre conception peut réaliser la conversion de la polarisation circulaire en polarisation linéaire. C'est excellent dans la bande passante publiée actuelle de la plaque quart d'onde proche infrarouge.

Résultats de simulation de la structure proposée. un La phase de T _x , T _y et il y a une différence quand W _x =100 nm. b Transmission T , T _x et T _y , et la différence de phase des deux lumières de transmission. c T _x et T _y courbes lorsque W _x changements. La petite image est le diagramme détaillé près de 1550 nm. Il montre les tendances de variation de T _x , T _y , transmission totale T , et déphasage à la longueur d'onde de communication

La taille modifiée W _x du trou a des effets différents sur x- et y- polarisation. La figure 2c illustre la transmittance lorsque W _x changements. Le pic du T _y et le pic très pointu de T _x à 1200 nm sont liés au P _x =1200 nm. La condition pour que les anomalies de Wood se produisent est λ =p( péchéθ _i + 1) [31, 32] et θ _i est 0 pour l'onde normalement incidente ; par conséquent, le pic se produit lorsque λ =P _x . Aussi, avec la diminution de P _y , la vallée de T _x se déplace dans la direction des courtes longueurs d'onde, et T _y se déplace vers la direction des grandes longueurs d'onde, entraînant le changement de longueur d'onde et de transmittance correspondant à l'intersection des deux courbes. De plus, la petite image montre les intersections de T _x et T _y quand W _x passe de 50 à 100  nm. Cela signifie l'ellipticité |T _y |/|T _x | =1, de sorte que la structure proposée puisse réaliser la conversion de la plaque quart d'onde à partir de la polarisation LTC. L'efficacité est d'environ 0,44, ce qui est proche de la transmittance idéale de 0,5 prouvée par la méthode d'admittance de surface dans la littérature précédente [28]. De plus, lorsque la largeur d'ouverture W _x est augmentée de 50 à 100 nm, la longueur d'onde de fonctionnement est décalée de 1518 (transmission d'environ 0,43) à 1550  nm (transmission d'environ 0,44). Cela signifie que le travail proposé a une bonne robustesse et qu'il est bénéfique pour la préparation expérimentale.

Nous analysons numériquement les résonances des dipôles électriques et magnétiques (ED et MD) sous x-pol. et y-pol. à différents W _x . On peut voir sur la figure 3a, b qu'il n'y a pratiquement pas de résonance MD dans les deux directions de polarisation et qu'il existe une résonance ED à 1550 nm pour x- polarisation et 1600 nm pour y- polarisation. La figure 3c montre l'intensité et la direction du champ électrique sous x-pol. incidence (λ =1550 nm) et Fig. 3d pour y-pol. (λ =1600 nm). Les résonances ED peuvent être vues à partir de la direction indiquée par les flèches vectorielles. Le changement de W _x a peu d'effet sur la résonance dipolaire de x-pol. , mais y-pol. est relativement touché. En modifiant la portée de l'anomalie de Wood et la position du dipôle électrique, la transmission, la phase et la polarisation de notre conception peuvent être mieux contrôlées. Cela nous permet d'obtenir de meilleures performances de lame quart d'onde dans la bande proche infrarouge. Il fournit également une nouvelle idée pour la conception de la plaque d'onde de métasurface [33,34,35,36,37,38,39,40,41].

un L'intensité des résonances ED. b L'intensité des résonances MD. c, d L'intensité du champ électrique et les vecteurs de x-pol. et y-pol. incidence, respectivement

Afin d'examiner la bande de fonctionnement des lames quart d'onde et les performances à la longueur d'onde de communication autour de 1550 nm, nous divisons les comparaisons en quatre parties (indiquées dans le tableau 1) :la polarisabilité circulaire à 1550 nm, l'efficacité de transmission à 1550 nm, l'épaisseur et la bande passante de la polarisation circulaire à la polarisation linéaire peut être atteinte.

La première colonne du tableau 1 est la vue de dessus (bidimensionnelle) des structures, qui n'est qu'un diagramme schématique et ne montre pas la taille et la proportion spécifiques. Les matériaux sont simplement représentés sur les figures. La deuxième colonne est la largeur de bande de la structure en plaques quart d'onde, dans laquelle la polarisation circulaire peut être convertie en polarisation linéaire, et la plage de différence de phase est de 90° ± 5°. La troisième colonne est l'ellipticité de la transmission de polarisation LTC à 1550 nm, et l'ellipicité |T _y |/|T _x |. La quatrième colonne est la longueur d'onde correspondante lorsque l'ellipticité |T _y |/|T _x | =1, et le △φ =φ _y -φ _x =(2 m + 1) × 90° simultanément, où m est un entier. La cinquième colonne correspond à l'épaisseur de la couche métallique de chaque lame quart d'onde et la silice est le seul autre matériau. Les résultats de tous les articles ci-dessus proviennent de simulations, utilisant FEM, FDTD, etc.

Les performances de cinq structures fonctionnant à la bande passante de communication dans les tableaux 1a, d, e, f et g sont présentées sous forme de graphiques à barres. Ils représentent respectivement les nanotiges, les matrices d'anneaux rectangulaires brisés en forme de L, la matrice de nanotiges en or monocouche et les structures de film d'argent à trous rectangulaires deux par deux. La polarisabilité circulaire et l'efficacité de transmission de différentes lames quart d'onde à 1550  nm sont illustrées sur la figure 4a, et leur épaisseur de couche métallique et leur largeur de bande de travail respectives sont illustrées sur la figure 4b. Pour plus de commodité, nous normalisons l'épaisseur et la bande passante, qui sont basées sur l'épaisseur du métal (27 nm) et la bande passante de fonctionnement (525 nm) proposées dans ce travail.

La comparaison des caractéristiques des structures mentionnées dans les tableaux 1a, d, e, f et g. un L'ellipticité de la polarisation LTC et la transmission totale à 1550 nm. b L'épaisseur de métal normalisée et la bande passante normalisée de la polarisation CTL, basées sur la structure proposée g

En comparant les cinq structures mentionnées ci-dessus, nous constatons que, bien que la structure a ait le rendement de transmission le plus élevé et une large bande, il est totalement impossible d'obtenir une polarisation circulaire à 1550 nm, et a une très grande épaisseur. La structure d a la polarisabilité circulaire la plus élevée, une efficacité de transmission élevée et une épaisseur au deuxième rang sur cinq, mais la bande passante est très étroite. Cette conception permet d'obtenir une bonne polarisation CTL et LTC à 1550  nm, mais elle n'est pas adaptée à une lame quart d'onde avec une large bande passante. Les lames d'ondes ultrafines e et f ont la même épaisseur de 10 nm et la même efficacité de transmission la plus faible. Cependant, en comparaison de la polarisabilité circulaire, e est meilleure que la performance f, et la bande passante, f est bien meilleure que e. Bien que la structure f ait la bande la plus large, les trois autres indicateurs sont tous les pires et il est impossible d'obtenir une polarisation circulaire à 1550 nm. La structure g réalise non seulement les transformations LTC/CTL de manière efficace et parfaite, mais présente également les caractéristiques d'une faible épaisseur et d'une large bande de travail. Ceci est le résultat de la pesée des performances nécessaires d'une lame quart d'onde. En combinant la technologie de nanotraitement existante avec la littérature publiée, nous avons découvert que notre plaque quart d'onde peut être préparée expérimentalement. D'une manière générale, nous pouvons réaliser l'expérience en trois étapes :d'abord, des motifs en forme de rectangle sont définis sur la couche de réserve ZEP520 par lithographie par faisceau d'électrons (EBL) sur substrat de silice; deuxièmement, un réseau de structures complémentaires de supercellules quart d'onde est obtenu par exposition à un faisceau d'électrons ; troisièmement, une fine couche d'argent est déposée par évaporation par faisceau d'électrons; dernière étape, enlevez les matériaux indésirables par un processus de décollement ou de gravure. La référence [25] a utilisé la même procédure pour préparer une plaque quart d'onde de nanotige en or. L'épaisseur des nanotiges d'argent est de 60 nm et la largeur la plus étroite est de 20  nm. La profondeur à la largeur est de 3, ce qui signifie qu'il est relativement difficile à fabriquer. La référence [16] a réalisé une lame quart d'onde en utilisant les mêmes procédés. L'épaisseur du film d'or est de 35 nm et l'espace métallique le plus étroit n'est que de 10  nm. Bien qu'une certaine inhomogénéité d'épaisseur inévitable et des pertes de matériau réduisent la force de résonance aux longueurs d'onde plus courtes, les mesures concordent bien avec les simulations. Dans ce travail, l'épaisseur de la couche d'argent de la lame d'onde est de 27 nm et la partie la plus étroite est de 50  nm, la profondeur-largeur est d'environ 0,5. De plus, comme le montre la petite image de la figure 2c, lorsque la largeur des ouvertures W _x est augmentée de 80 à 100 nm, la longueur d'onde de fonctionnement est décalée de 1545 (transmission d'environ 0,432) à 1550  nm (transmission d'environ 0,44). Cela signifie que la structure du papier a une bonne robustesse et ne sera pas grandement affectée par les erreurs expérimentales.

Par conséquent, la structure à plusieurs ouvertures évite l'idée d'introduire une différence de phase anisotrope par la structure élancée (ce qui est difficile à construire) et fournit une nouvelle direction pour la conception de la plaque quart d'onde.

Conclusions

Nous avons considéré numériquement une lame quart d'onde transmissive à large bande réalisable à la longueur d'onde de communication, qui a un réseau de périodes de trous de sous-longueur d'onde sur un film d'argent de 27 nm d'épaisseur. En ajustant les résonances plasmoniques, les résonances dipolaires électriques et les anomalies de Wood, il peut atteindre une large bande de polarisation circulaire à linéaire (525  nm) et une efficacité de transmission élevée de 0,44, ce qui est proche de la valeur maximale théorique de 0,5 calculée par la théorie de l'admittance de surface. Surtout à 1550 nm, l'ellipticité est de 1, ce qui réalise parfaitement la conversion de la polarisation linéaire en polarisation circulaire. Grâce à l'analyse, nous pensons que cette structure peut bien fonctionner comme une lame quart d'onde pour sa bonne robustesse. Cela devrait être utilisé dans des composants optiques miniaturisés tels que la manipulation de polarisation, la détection optique et les fonctions de communication.

Disponibilité des données et des matériaux

Les ensembles de données générés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles auprès des auteurs correspondants sur demande raisonnable.

Abréviations

CTL :

Circulaire à linéaire

LTC :

Linéaire à circulaire

FDTD :

Domaine temporel aux différences finies

θ _i :

L'angle de l'onde incidente

x-pol. :

polarisation x

y-pol. :

polarisation y

SiO₂ :

Silice

Ag :

Argent

Au :

Or