Séparateur de faisceau polarisant visible à haut rendement utilisant des méta-surfaces tout-diélectriques

Résumé

Nous présentons une méta-surface à gradient tout-diélectrique composée d'un réseau périodique de nanoblocs de silicium en forme de croix sur un substrat de silice fondue qui fonctionne comme un séparateur de faisceau polarisant dans le spectre visible. En concevant deux gradients de phase de transmission opposés le long de la direction x pour la lumière linéairement polarisée x et y, la méta-surface dirige les deux polarisations orthogonales vers des angles symétriques de part et d'autre du faisceau incident dans le plan x–z. Pour une polarisation incidente à 45°, les composantes transmises polarisées x et y présentent une intensité presque égale sur 579–584 nm. Le dispositif offre une solution compacte et ultra-mince pour les systèmes optiques en espace libre nécessitant une séparation de polarisation à haut rendement.

Introduction

Les méta-surfaces — réseaux bidimensionnels d'nanoantennes sous-longueur d'onde — ont émergé comme des plateformes puissantes pour manipuler la phase, l'amplitude et la polarisation de la lumière avec des profils ultra-minces. Comparées à l'optique en volume, les méta-surfaces permettent des dispositifs compacts, à faibles pertes, plus faciles à fabriquer. Elles ont déjà permis des convertisseurs de polarisation, l'holographie, les lentilles planes et les séparateurs spectraux.

Les méta-surfaces métalliques ont initialement réalisé la déviation de faisceau via deux résonances de phase π ou la phase géométrique, mais leur absorption intrinsèque limite l'efficacité de transmission. Les méta-surfaces tout-diélectriques, principalement basées sur le silicium, contournent ces pertes et offrent plusieurs voies pour un contrôle de phase 2π complet : phase géométrique, résonances de Mie chevauchantes (méta-surfaces Huygens) et résonances de Fabry-Pérot dans des antennes à haut rapport d'aspect. Dans ce travail, nous exploitons cette dernière approche, traitant chaque bloc de silicium comme un guide d'ondes tronqué dont l'indice effectif gouverne la phase de transmission.

Les séparateurs de faisceau polarisants (PBS) sont vitaux dans de nombreuses architectures optiques. Les designs PBS existants emploient des réseaux sous-longueur d'onde, des coupleurs plasmoniques hybrides ou des structures à interférence multimode. Ici, nous proposons un PBS simple à grand angle construit à partir d'un réseau de silicium en forme de croix qui réalise une séparation à puissance égale pour une polarisation incidente à 45°, opérant efficacement aux longueurs d'onde visibles.

Méthodes

La Figure 1 illustre la disposition de la méta-surface : un réseau carré de blocs de silicium en forme de croix (hauteur 260 nm) repose sur un substrat de silice d'indice 1,45. Les constantes de réseau sont P_x = P_y = 200 nm. Des simulations FDTD tridimensionnelles (conditions aux limites périodiques en x et y, couches parfaitement adaptées le long de z) modélisent des ondes planes à incidence normale venant du bas.

Chaque bloc en croix est équivalent à deux barres de silicium orthogonales : une avec une largeur fixe w (70 nm) et une longueur variable le long de l'axe de polarisation incidente. Pour une incidence polarisée y, les longueurs L_y (60–200 nm) accordent la phase de transmission tout en maintenant w constant. De même, pour une incidence polarisée x, les longueurs L_x sont variées. Quatre cellules unitaires discrètes (voir Fig. 2) couvrent une gamme de phase 0–2π avec un pas de phase de ±π/2 entre cellules adjacentes, créant des gradients de phase opposés pour les deux polarisations.

Configuration schématique de la méta-surface en forme de croix agissant comme séparateur de faisceau polarisant

En utilisant la loi de Snell généralisée

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

l'angle de réfraction anormal est déterminé par le gradient de phase dΦ/dx. Pour la lumière polarisée y, dΦ = –π/2 ; pour la lumière polarisée x, dΦ = +π/2. Cela donne une déviation de 46,8° à 583 nm.

Résultats et Discussions

Les simulations confirment la déviation prédite de 46,78° pour les deux polarisations. La Figure 3a montre le champ électrique dans le plan x-z pour l'incidence polarisée x, correspondant à l'angle théorique. L'intensité en champ lointain (Fig. 3b) donne une transmission totale de 69,7 % et une efficacité de déviation de 63,7 % — limitée principalement par 12,5 % de réflexion d'interface, 17,8 % d'absorption dans le silicium et 6 % d'ordres de diffraction indésirables.

Distributions de champ électrique près de la méta-surface dans le plan x-z sous a incidence polarisée x et c incidence polarisée y. Distributions d'intensité en champ lointain normalisées pour b lumière polarisée x et d lumière polarisée y normalement incidente. La longueur d'onde de fonctionnement est 583 nm, et l'angle transmis est défini comme valeur positive (négative) du côté droit (gauche) de la normale.

Pour l'incidence polarisée y, l'angle de déviation est –46,78°, avec une efficacité de déviation de 66,4 % et une transmission totale de 75,2 %. En négligeant l'absorption du silicium, les efficacités pourraient approcher 90 % — à parité avec les designs PBS de méta-surfaces silicium antérieurs.

Lorsqu'une onde plane polarisée linéairement à 45° de l'axe x illumine la méta-surface, le dispositif excite simultanément les deux résonances orthogonales, générant des sorties polarisées x et y d'intensité égale. La Figure 4c affiche les champs électriques extraits ; la Fig. 4b montre les intensités en champ lointain, chacune 0,336 de la puissance incidente. Ainsi, 46,3 % de l'énergie totale transmise est canalisée dans les ordres de diffraction +1 et –1 pour les deux polarisations, tandis que l'ordre 0 ne représente que 7,4 %. Sur 579–584 nm, la différence d'intensité entre les deux sorties reste inférieure à 2 %, confirmant la séparation à puissance égale à large bande.

a Mécanisme de fonctionnement du séparateur de faisceau polarisant proposé (vue de face). b Intensité en champ lointain normalisée. c Distributions de champ électrique transmises polarisées x (gauche) et y (droite) de la méta-surface conçue sous incidence normale de lumière polarisée à 45° à la longueur d'onde de 583 nm.

Les effets de périodicité ont été examinés en variant la constante de réseau dans la direction orthogonale (190–210 nm). Les changements de phase et de transmission étaient négligeables (<0,05π), confirmant l'indépendance du design vis-à-vis du couplage croisé et simplifiant la fabrication.

Conclusions

Nous avons conçu une méta-surface tout-diélectrique en silicium en forme de croix qui fonctionne comme un séparateur de faisceau polarisant à haut rendement dans le visible. Le dispositif sépare la lumière polarisée à 45° en composantes x et y à puissance égale à 583 nm avec un angle de déviation de 46,8° et une efficacité de déviation de 63-66 %. Son empreinte compacte et ultra-mince et sa performance de séparation à puissance égale à large bande le rendent attractif pour l'intégration dans les circuits photoniques tout-optique de prochaine génération.