Métasurfaces silicium ultra-efficaces pour séparation de faisceau polarisation et génération vortex aux longueurs d'onde télécom

Résumé

Cette étude introduit une métasurface diélectrique d'ordre supérieur composée d'un réseau de nanobriques silicium. En ajustant précisément la longueur et la largeur des briques, le dispositif fournit deux phases de transmission incrémentales distinctes pour la lumière polarisée linéairement X (XLP) et Y (YLP), atteignant des efficacités de transmission constamment supérieures à 88 %. En tirant parti de cette capacité, nous avons conçu avec succès deux séparateurs de faisceau polarisation opérant en modes de diffraction d'ordre supérieur, chacun démontrant une efficacité de transmission élevée. De plus, deux générateurs de faisceaux vortex ont été fabriqués en modes de diffraction d'ordre supérieur, produisant des faisceaux vortex avec des charges topologiques de 2 et 3. L'utilisation de métasurfaces diélectriques en modes de diffraction d'ordre supérieur ouvre la voie à une large gamme de dispositifs optiques ultra-efficaces.

Contexte

Les avancées récentes en électromagnétisme se sont concentrées sur le contrôle complet des ondes lumineuses, les métamatériaux émergent comme un domaine de recherche pivot en raison de leurs réponses optiques conçues [1]. Ces structures artificielles ont permis des phénomènes tels que la réfraction négative, la réfraction nulle et la lumière lente [2-4]. Cependant, les métamatériaux tridimensionnels conventionnels souffrent de pertes intrinsèques et de fabrication complexe, limitant leur déploiement pratique. Les métamatériaux bidimensionnels, ou métasurfaces, atténuent ces inconvénients en offrant des structures ultraminces, sous-longueur d'onde, plus faciles à fabriquer et intégrer [5-7]. Les métasurfaces manipulent l'amplitude ou la phase de la lumière incidente à travers des résonateurs sous-longueur d'onde, permettant des fonctionnalités telles que guides d'ondes accordables, lames d'onde, lentilles, réfraction anomale, générateurs vortex et hologrammes [8-19]. Bien que les métasurfaces surpassent leurs homologues 3D en efficacité, les pertes restent une préoccupation, surtout lorsque des composants métalliques sont impliqués. Pour surmonter cela, les métasurfaces Huygens et les métasurfaces tout-diélectrique ont été proposées. Les designs Huygens réduisent les pertes mais font face à des défis de fabrication dus à leur nature 3D [20]. Les métasurfaces tout-diélectrique, en chevauchant les résonances électriques et magnétiques à la même fréquence, atteignent un contrôle de phase 2π complet avec une haute efficacité de transmission [21-27]. Pourtant, la plupart des dispositifs démontrés opèrent dans les premiers ou seconds ordres de diffraction ; les modes d'ordre supérieur restent sous-explorés, principalement en raison de faibles efficacités causées par les pertes métalliques [28-32]. Dans ce travail, nous présentons une métasurface tout-diélectrique capable de manipuler les fronts d'onde en modes de diffraction d'ordre supérieur tout en maintenant des efficacités de transmission supérieures à 88 %. En utilisant cette plateforme, nous concevons deux séparateurs de faisceau polarisants qui séparent les polarisations orthogonales en directions distinctes avec haute efficacité, et deux générateurs de faisceaux vortex produisant des charges topologiques de 2 et 3, démontrant la polyvalence du contrôle de diffraction d'ordre supérieur.

Méthodes

Le design de la métasurface est illustré Fig. 1a. Il consiste en des nanobriques silicium cristallin de 900 nm d'épaisseur fabriquées sur un substrat SiO₂ de 200 nm (indices de réfraction 3,48 et 1,48 respectivement). L'indice de réfraction élevé du silicium confère de fortes résonances avec une perte ohmique minimale, et sa fabrication peut être réalisée via des techniques semiconductrices matures telles que la lithographie par faisceau d'électrons (EBL) et le fraisage par faisceau d'ions focalisés (FIB). Le substrat SiO₂ a été choisi pour supprimer la réflexion et l'absorption à la longueur d'onde télécom cible de 1500 nm. Une constante de réseau S = 650 nm a été adoptée. Le contrôle de phase de transmission est gouverné par les dimensions des nanobriques selon les axes X et Y. Des simulations numériques ont été effectuées par la méthode différences finies domaine temporel (FDTD), avec des couches parfaitement adaptées (PML) en haut et en bas et conditions aux limites périodiques (PBC) latéralement. La longueur d'onde d'opération choisie est 1500 nm. La Figure 1a-d montre l'efficacité de transmission co-polarisée et la variation de phase pour la lumière XLP et YLP en fonction des dimensions des nanobriques (a = largeur, b = longueur). Les simulations révèlent que, pour la grande majorité des géométries, la transmission co-polarisée dépasse 88 %, tandis que la phase peut être accordée sur toute la plage 0–2π. La symétrie de la structure assure une performance similaire pour les deux polarisations, permettant un contrôle de phase indépendant pour la lumière XLP et YLP en ajustant a et b respectivement.

Résultats et Discussion

Design de séparateurs de faisceau polarisants

Le contrôle de polarisation sur puce est essentiel pour la photonique intégrée. Le séparateur de faisceau polarisant (PBS) que nous proposons exploite les réponses de phase distinctes pour la lumière XLP et YLP, permettant une séparation en deux faisceaux spatialement distincts avec haute efficacité.

Chaque PBS est construit à partir de 13 nanobriques arrangées en une supercellule. En discrétisant la phase sur 0–2π pour la lumière XLP et 2π–0 pour la lumière YLP avec un pas de ±2π/13, nous atteignons un gradient de phase d'ordre supérieur. Les dimensions latérales des 13 briques sont listées Fig. 2a. Le réarrangement de ces briques produit des modes de diffraction d'ordre supérieur : le mode troisième ordre (M₃) s'étend sur 0–3×2π, tandis que le mode cinquième ordre (M₅) s'étend sur 0–5×2π. Ce simple réarrangement étend la couverture de phase proportionnellement à l'ordre de diffraction.

Les simulations du PBS sous illumination polarisée linéairement à 45° confirment le design. Les champs XLP et YLP extraits (Fig. 3a) montrent des fronts d'onde distincts avec des angles de diffraction maximaux de −10,2° (XLP) et +10,2° (YLP). Les efficacités co-polarisées correspondantes sont 85,9 % (XLP) et 88,4 % (YLP). Les angles de diffraction correspondent à la prédiction de la loi de Snell généralisée (±10,22°), validant la capacité de guidage de faisceau d'ordre supérieur et confirmant que presque toute la lumière incidente est transmise avec réflexion minimale.

Pour les PBS d'ordre supérieur, les angles de diffraction théoriques de M₃ et M₅ sont ±32,18° et ±62,56° respectivement. Les Figures 4a-d illustrent les fronts de phase bien définis et confirment ces angles. Les efficacités co-polarisées chutent modestement à 82-84 % (troisième ordre) et 73,5-78,4 % (cinquième ordre), principalement dues au couplage entre briques de géométries différentes. Néanmoins, les métasurfaces maintiennent une transmission élevée dans tous les modes d'ordre supérieur.

Design de générateurs de vortex optiques

Les faisceaux vortex optiques, caractérisés par un front de phase hélicoïdal et un moment angulaire orbital lℏ, trouvent applications en lithographie, piégeage et communications [37-44]. Pour générer des faisceaux vortex, nous arrangeons les 13 briques de M₁ en 13 secteurs azimutaux, créant une rampe de phase continue de 2π/13 sur la circonférence. La Figure 6a montre le profil d'intensité du vortex généré l = 1, avec un nul central et un saut de phase 2π de −π à π.

Pour atteindre des charges topologiques plus élevées, nous modifions le pas de phase entre briques adjacentes à 4π/13 (l = 2) et 6π/13 (l = 3), produisant M₂ et M₃. Les profils d'intensité résultants (Fig. 6b,c) et cartes de phase (Fig. 6e,f) exhibent deux et trois sauts de phase 2π clairs respectivement. Le changement de polarisation incidente de XLP à YLP inverse le sens hélicoïdal tout en préservant le motif d'intensité, grâce à la réponse de phase symétrique. Cela démontre que nos métasurfaces peuvent générer des ordres vortex arbitraires par simple reconfiguration des briques.

Conclusions

Nous avons conçu des métasurfaces diélectriques composées de nanobriques silicium périodiques qui fournissent une couverture de phase 0–2π complète avec des efficacités de transmission dépassant 88 % à la longueur d'onde télécom de 1500 nm. En tirant parti de ces propriétés, nous avons réalisé des séparateurs de faisceau polarisants d'ordre supérieur qui séparent les polarisations orthogonales en directions distinctes avec haute efficacité, et des générateurs de vortex optiques produisant des charges topologiques jusqu'à 3 en modes de diffraction d'ordre supérieur. La simplicité du design — modification des dimensions et arrangement des briques — facilite la fabrication rapide et ouvre la voie à une nouvelle classe de dispositifs photoniques ultra-efficaces.