Répartiteur de faisceau de polarisation efficace basé sur une métasurface entièrement diélectrique dans la région visible

Introduction

Ces dernières années, les métasurfaces, des structures de sous-longueur d'onde bidimensionnelles composées de nanoantennes dans une configuration en réseau, ont suscité d'énormes attentions. La métasurface peut manipuler la lumière incidente à une échelle inférieure à la longueur d'onde car son épaisseur structurée ultrafine introduit des changements brusques des paramètres du faisceau incident. Par exemple, la phase [1,2,3,4,5], l'amplitude [6,7,8,9] et la polarisation [10,11,12,13] des faisceaux incidents peuvent être manipulés en ajustant la forme , la taille et l'orientation des nanoantennes de sous-longueur d'onde. En comparaison avec les matériaux volumineux conventionnels, les dispositifs de métasufrace sont plus faciles à fabriquer et leur épaisseur ultrafine dans le chemin optique peut grandement supprimer les pertes de transmission. Sur la base des avantages passionnants ci-dessus, les métasurfaces ont été utilisées dans de nombreuses applications, telles que le convertisseur de polarisation [11,12,13], l'impression en couleur [14], l'holographie [15], les lentilles plates [16], la génération optique de vortex [ 4, 17] et la division du spectre [18,19,20,21].

Des nanostructures métalliques ont été utilisées pour constituer des métasurfaces avec une déviation du faisceau à l'origine [1, 22, 23]. La couverture de phase 2π requise peut généralement être obtenue sur la base de deux méthodes. L'un génère deux résonances indépendantes, dont chacune introduit un déphasage de . L'autre consiste à faire tourner dans l'espace les résonateurs à sous-longueur d'onde dépendant de la polarisation de 0° à 180°. Cependant, les pertes d'absorption des métasurfaces métalliques limitent l'efficacité en mode de transmission. Des métasurfaces entièrement diélectriques ont récemment été proposées pour remplacer celles métalliques en raison de leurs faibles pertes d'absorption [24,25,26,27,28]. À ce jour, trois approches différentes ont été démontrées pour réaliser le déphasage de 2π dans les métasurfaces entièrement diélectriques, la phase géométrique [27], la résonance de Mie [2, 4, 7] et la résonance Fabry-Pérot [3, 28]. La première méthode est similaire à la deuxième méthode de métasurface métallique ci-dessus ; cela fonctionne pour la lumière polarisée circulairement. Le deuxième mécanisme couvre toute la gamme de phase 2π sur la base de résonances magnétiques et électriques se chevauchant spectralement ; la métasurface conçue sur cette base est également connue sous le nom de métasurface de Huygens. La troisième méthode, tout comme celle utilisée dans cet article, utilise des nanoantennes à rapport d'aspect élevé pour obtenir le contrôle de phase souhaité. Les antennes peuvent être considérées comme des guides d'ondes tronqués dans ce cas, et la phase de transmission est manipulée par l'indice de réfraction effectif du mode fondamental dans des antennes diélectriques de tailles différentes. Le silicium est généralement appliqué dans les dispositifs de métasurface entièrement diélectriques [2,3,4] pour son indice de réfraction élevé, ses faibles pertes et son processus de fabrication mature. Comme pour certains autres matériaux à faible indice de réfraction, comme la silice (SiO₂ ), nitrure de silicium (Si₃ N₄ ), et le dioxyde de titane (TiO₂ ), leurs pertes peuvent être ignorées, mais les rapports d'aspect plus élevés rendent la fabrication très difficile.

Le séparateur de faisceau de polarisation, un dispositif qui peut séparer un faisceau optique en deux composants polarisés orthogonalement se propageant le long de chemins différents, est un composant important dans les systèmes optiques. Les séparateurs de faisceaux de polarisation rapportés dans la littérature sont conçus principalement sur la base des structures suivantes, y compris les structures de sous-longueur d'onde [29, 30, 31], les coupleurs plasmoniques hybrides [32], les réseaux [33], les structures d'interférence multimode (MMI) [34], et coupleurs directionnels asymétriques [35, 36]. Farahani et Mosallaei [29] ont proposé une métasurface de réflecteur infrarouge pour reradier la lumière entrante en deux faisceaux réfléchissants polarisés orthogonalement. Guo et al. [30] ont conçu un séparateur de polarisation basé sur des métasurfaces de silicium à la longueur d'onde spécifique de 1500 nm. Dans ce travail, nous proposons un séparateur de faisceau de polarisation dévié simple et à grand angle basé sur une métasurface diélectrique, qui est construit par différents réseaux de résonateurs en silicium en forme de croix au sommet du substrat de silice. Lorsque x - ou y - la lumière polarisée est normalement incidente, la direction de polarisation de la lumière transmise est la même que celle de la lumière incidente. À une longueur d'onde de 583 nm, l'angle dévié est de 46,78° et l'efficacité de déviation est de 63,7% sous x -incidence polarisée, tandis que l'efficacité de déviation est de 66,4% et l'angle de déviation est de − 46,78° pour y - polarisé. De plus, le dispositif proposé est capable de séparer la lumière polarisée linéairement en x - et y -les polarisés. Surtout, lorsque la polarisation de la lumière incidente fait un angle de 45° par rapport au x -axe, deux faisceaux transmis polarisés orthogonalement possèdent des intensités approximativement égales dans la région de longueur d'onde de 579 à 584  nm.

Méthodes

La figure 1 représente schématiquement la configuration du dispositif séparateur de faisceau de polarisation proposé, qui est conçu sur la base d'une métasurface entièrement diélectrique. La métasurface est composée d'un réseau de blocs de silicium en forme de croix placés sur le substrat de silice. Les constantes optiques du silicium sont tirées de Ref [37], et l'indice de réfraction de la silice est de 1,45. La hauteur du bloc de silicium h est défini sur 260  nm ; la période de la maille élémentaire le long du x - et y -les directions sont optimisées pour être Px = 200 nm et Py = 200 nm. La simulation numérique est effectuée par des modèles tridimensionnels du domaine temporel aux différences finies (FDTD), dans lesquels des conditions aux limites périodiques sont appliquées dans les deux x - et y -des directions et des calques parfaitement assortis sont utilisés le long du z -direction. L'onde plane est normalement incidente par le dessous du substrat. Le réseau de nanoblocs de silicium en forme de croix peut être considéré comme composé de deux réseaux de blocs de silicium perpendiculaires. Un tableau est que les longueurs w des antennes le long du x -l'axe reste constant tandis que les longueurs Ly le long du y -changement d'axe pour induire le gradient de phase sous y -incidence polarisée. Au contraire, un autre introduit le gradient de phase pour x -éclairage polarisé en faisant varier les longueurs Lx des antennes le long du x -direction et maintien des longueurs w le long du y -axe constant.

Configuration schématique de la métasurface en forme de croix proposée agissant comme un séparateur de faisceau de polarisation

Tout d'abord, nous concevons le tableau de gradient de phase sous y -incidence polarisée. Comme illustré sur les figures 2a et b, nous calculons la transmission et la réponse en phase des blocs de silicium périodiques en modifiant la largeur w de 60 à 75 nm et la longueur Ly de 60 à 200 nm à la longueur d'onde de 583 nm. Une couverture complète de 2π de phase ne peut pas être obtenue lorsque la largeur w est inférieure à 61,5  nm, mais l'intensité de transmission diminue à mesure que la largeur w augmente. Compte tenu de la fabrication du procédé, quant à lui, la largeur w de l'unité élémentaire est fixée à 70 nm, et la longueur Ly est varié pour fournir le contrôle complet de la phase de transmission 2π comme illustré sur la figure 2c. La transmission et la réponse en phase en fonction de la longueur Ly à la longueur d'onde de 583  nm sont représentés sur la figure 2d. Pour un grand angle de division, quatre unités différentes sont sélectionnées pour couvrir la plage de phase 0 à 2π, les longueurs Ly des quatre éléments sont Ly ₁ = 169 nm, Ly ₂ = 122 nm, Ly ₃ = 103 nm, et Ly ₄ = 70 nm, respectivement. D'après la loi de Snell généralisée, l'angle de réfraction anormal θ _t peut être obtenu par la formule,

où n _t et n _je sont l'indice de réfraction du milieu transmis et incident, respectivement, θ _je est l'angle d'incidence, λ ₀ est la longueur d'onde incidente dans le vide, dx et dϕ sont la distance et la différence de phase entre les unités voisines le long du x -direction. Dans notre cas, la valeur de dϕ est − π/2 pour y -incidence polarisée, qui est obtenue en diminuant progressivement les longueurs Ly des nanoblocs le long du x -direction positive, comme le réseau A représenté sur la figure 2e. Afin de réaliser la fonction de division de polarisation, la différence de phase dϕ est réglé sur π/2 sous x -incidence polarisée. Ici, les longueurs Lx de quatre unités le long du x -les directions positives sont de 70 nm, 103 nm, 122 nm et 169 nm, respectivement, tandis que les largeurs w conserver la même valeur 70 nm, comme le tableau B illustré à la figure 2e. Enfin, les deux réseaux ci-dessus sont combinés en un seul réseau en forme de croix pour former une métasurface de séparation de faisceau de polarisation, et les réseaux A et B présentent les gradients de phase pour y - et x -lumière incidente polarisée, respectivement.

Conception de la métasurface. un Transmission et b réponse de phase en fonction de la largeur w et longueur Ly à une longueur d'onde de 583 nm. c Une unité de métasurface pour y -incidence polarisée. d Transmission et réponse en phase des nanoblocs périodiques avec des largeurs de 70 nm en fonction de la longueur Ly . e La procédure de conception de la métasurface du séparateur de faisceau de polarisation proposé (vue verticale). Ici, nous trions les unités de gauche à droite comme unité1, unité 2, unité 3 et unité 4

Résultats et discussions

Les performances optiques de la métasurface en forme de croix agissant comme diviseur de faisceau de polarisation sont simulées par la méthode FDTD tridimensionnelle. Dans notre cas, la valeur de dx est de 200 nm, dϕ est π/2, −π/2 pour x - et y -incidence polarisée respectivement. D'après l'éq. (1), le faisceau émis anormal est dévié sous un angle de 46,78° sous x -incidence normale polarisée à une longueur d'onde de 583 nm. La distribution du champ électrique transmis sous x -éclairage polarisé dans le x-z plan est représenté sur la figure 3a. L'angle de diffraction observé de 46,78° à partir du profil du front d'onde est cohérent avec le résultat théorique. Le résultat simulé de la figure 3b montre que l'intensité normalisée dans le champ lointain sous x -incidence polarisée. L'efficacité de transmission totale est de 69,7% et l'efficacité de déviation est de 63,7%, ce qui est principalement causé par la réflectivité de l'interface (12,5%), l'absorption du silicium (17,8%) et d'autres ordres de diffraction (6%). Ici, l'efficacité de déviation est définie comme l'intensité du faisceau dévié dans l'ordre de diffraction souhaité (+ 1, − 1 ordre pour x - et y -incidence polarisée) normalisée à l'intensité incidente totale. Lorsque le y linéaire - la lumière polarisée est normalement incidente, les distributions d'intensité de champ électrique et de champ lointain normalisées à la longueur d'onde de 583  nm sont indiquées sur les figures 3c et d, respectivement. L'angle dévié est de - 46,78° et l'efficacité de déviation correspondante est de 66,4%, tandis que l'efficacité de transmission totale est de 75,2%. La réflexion peut être principalement causée par l'indice de réfraction élevé du silicium et la rétrodiffusion depuis le bord, et la perte intrinsèque de silicium dans la région visible conduit à une absorption élevée. Si les pertes d'absorption ne sont pas prises en compte dans notre cas, les efficacités de transmission totales peuvent atteindre environ 90 % pour les deux incidences ci-dessus, qui sont comparables aux valeurs de Ref [30]. L'angle dévié dépend de nombreux paramètres selon l'Eq. (1), il peut donc être manipulé pour satisfaire nos besoins en ajustant les paramètres, tels que la période le long de la direction du gradient de phase, la longueur d'onde de fonctionnement et d'autres.

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

Une onde plane polarisée linéairement (E ) peut toujours être décomposé en deux composantes orthogonales (Ex et Ey ), qui excitent simultanément deux champs de résonance indépendants dans x - et y -directions. Par conséquent, lorsqu'une onde plane polarisée linéairement est normalement incidente sur la métasurface, elle peut être résolue en x- et y -les polarisés, qui peuvent induire des gradients de phase opposés le long du x -direction. La figure 4a montre que le schéma du mécanisme de fonctionnement du séparateur de faisceau de polarisation proposé, le faisceau incident sera divisé en x - et y -les polarisés, les angles déviés correspondants sont θ _t et − θ _t , qui sont déterminés par la longueur d'onde de fonctionnement. Les intensités de deux signaux transmis sont déterminées par l'angle polarisé de la lumière incidente. Lorsque la polarisation de la lumière incidente fait un angle de 45° par rapport au x -axe, le x - et y -les distributions de champ électrique transmis polarisé extraites du champ transmis total comme illustré sur la figure 4c, ce qui confirme également la fonction de division de polarisation de ce dispositif proposé. La distribution d'intensité de champ lointain normalisée pour la longueur d'onde de fonctionnement 583  nm est représentée sur la figure 4b; l'intensité des deux faisceaux de sortie est la même valeur 0,336. L'intensité de transmission totale I _sortie est de 0,726, donc les efficacités de la lumière de sortie totale déviée dans l'ordre de diffraction + 1 (x -polarisation) et − 1 ordre (y -polarisation) sont tous deux de 46,3 %. Ici, l'intensité de l'ordre de diffraction 0 représente 7,4 % de la transmission totale, ce qui peut être supprimé en optimisant davantage les paramètres géométriques ou les formes. De plus, x - et y -les faisceaux de lumière transmise polarisée possèdent des intensités presque égales (∣I _{x − pol .} − Je _{y − pol .} ∣ /Je _{x − pol .} < 2%) lorsque l'angle de polarisation est de 45° dans la plage de longueurs d'onde de 579 à 584 nm. Les angles de déviation et les intensités de transmission correspondants à différentes longueurs d'onde sont indiqués dans le tableau 1.

un Mécanisme de fonctionnement du dispositif séparateur de faisceau de polarisation proposé (vue de face). b Intensité de champ lointain normalisée. c Le x transmis extrait -polarisé (gauche) et y -les distributions de champ électrique polarisé (à droite) de la métasurface conçue sous l'incidence normale de la lumière polarisée à 45° à la longueur d'onde de 583 nm

Dans le processus de conception ci-dessus, nous supposons idéalement que la réponse de phase et de transmission à x (y )- l'incidence polarisée n'est pas affectée par la période en y (x )-direction. Pour le prouver, nous analysons l'influence de la période dans le y (x )-direction sur la phase et transmission lorsque le x (y )-la lumière polarisée est incidente sur les métasurfaces uniformes construites par les unités 1, 2, 3 et 4 du réseau B(A), respectivement. Les figures 5 a et b illustrent que lorsque la période Py dans le y -la direction varie de 190 à 210 nm, les changements de phase de quatre types de métasurfaces sont toujours inférieurs à 0,05π et les transmissions n'ont pratiquement aucun changement sous x -incidence polarisée. Le même phénomène se produit lorsque la période Px dans le x -la direction varie de 190 à 210 nm sous y -incidence polarisée comme le montrent les figures 5c et d. Nous pensons que la réponse de phase et la transmission sous x (y )- les incidences polarisées sont presque indépendantes de la période en y (x )-direction dans ce cas. Par conséquent, notre processus de conception est clair et la méthode est évidemment simple. Dans Ref [30], afin d'introduire deux gradients de phase de transmission opposés pour le linéairement x -polarisation et y -polarisation le long du x -la direction, les paramètres géométriques de l'unité, la largeur et la longueur sont sélectionnés simultanément en calculant la réponse de phase changeant avec les deux paramètres sous le x et y incidence polarisée linéairement. Il n'y a pas de règles définies pour la sélection de la largeur et de la longueur des unités.

La réponse de phase et la transmission en fonction de la période dans y (x )-direction lorsque le x (y )-la lumière polarisée est incidente sur les métasurfaces uniformes construites par les unités 1, 2, 3 et 4 du réseau B(A), respectivement. un réponse de phase et b transmission en tant que fonctions de Py . c réponse de phase et d transmission en tant que fonctions de Px

Conclusions

En résumé, nous concevons un séparateur de faisceau de polarisation basé sur la métasurface entièrement diélectrique dans la région visible. La métasurface est composée de réseaux de nanoblocs de silicium en forme de croix placés sur le substrat diélectrique de silice. Lorsque la lumière incidente est polarisée à l'angle de 45° par rapport à x -direction, intensités identiques du x - et y -les signaux de sortie polarisés sont de 0,336 à la longueur d'onde de fonctionnement 583 nm, ce qui représente 46,3% de l'intensité de transmission totale. De plus, le dispositif proposé présente des performances de division de faisceau de polarisation à puissance égale pour une incidence polarisée à 45° dans la région de longueur d'onde de 579 à 584  nm. Nous nous attendons à ce que le séparateur de faisceau de polarisation puisse être appliqué davantage dans les futurs dispositifs intégrés entièrement optiques.

Abréviations

dx :

Distance entre les unités voisines le long du x -direction

dϕ :

Différence de phase entre les unités voisines le long du x -direction

FDTD :

Domaine temporel aux différences finies

Je _sortie :

Intensité totale de transmission

Je _{x-pol .} :

Intensité de x -faisceau transmis polarisé

Je _y-pol. :

Intensité de y -faisceau transmis polarisé

MMI :

Interférence multimode

n _je :

Indice de réfraction du milieu incident

n _t :

Indice de réfraction du milieu transmis

Si₃ N₄ :

Nitrure de silicium

SiO₂ :

Silice

TiO₂ :

Dioxyde de titane

θ _je :

Angle d'incidence

θ _t :

Angle de réfraction anormal

λ ₀ :

Longueur d'onde incidente dans le vide