본 논문에서는 실리콘 나노브릭 어레이를 기반으로 한 고차 유전체 메타표면을 제안하고 조사하였다. 나노브릭의 길이와 너비를 제어함으로써 메타표면은 88% 이상의 매우 높은 효율로 X-선형 편광(XLP) 및 Y 선형 편광(YLP) 빛에 대해 두 가지 다른 증분 투과 위상을 공급할 수 있습니다. 설계된 메타 표면을 기반으로 고차 회절 모드에서 작동하는 두 개의 편광 빔 스플리터가 성공적으로 설계되어 높은 투과 효율을 보여줍니다. 또한, 우리는 위상 전하가 2와 3인 와류 빔을 생성하기 위해 고차 회절 모드에서 작동하는 2개의 와류 빔 생성기를 설계했습니다. 고차 회절 모드에서 작동하는 유전체 메타표면의 사용은 다양한 새로운 초고효율 광학 장치.
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배경
최근 몇 년 동안 전자파의 완전한 제어가 새로운 연구 분야로 떠올랐습니다. 이러한 제어를 실현하기 위해 메타 물질은 구성 요소를 구조화하여 욕망으로 인위적으로 조작할 수 있는 새로운 물리적 특성으로 상당한 주목을 받았습니다[1]. 지금까지 메타 물질은 음굴절, 무굴절, 느린 빛과 같은 많은 우수한 광학 특성을 달성하는 데 사용되었습니다. 그러나 3차원 메타물질은 높은 고유 손실과 제조 어려움과 같은 많은 단점이 있어 실제 응용에 제한이 있습니다. 나노기술의 발전과 함께 2차원 메타물질 또는 소위 메타표면은 초박형 서브파장 구조, 비교적 쉬운 제조 및 시스템과의 등각 통합으로 인한 이러한 단점을 피하기 위해 제안되었습니다[2, 3]. 메타표면은 일반적으로 서브파장 주기와 인터페이스 불연속성으로 기능하는 광학 공진기 어레이로 구성됩니다. 공진기의 기하학적 구조를 설계하여 충돌 빔의 진폭 또는 위상에 급격한 변화를 일으킬 수 있습니다. 이 개념을 기반으로 가변 도파관[4, 5], 파장판[6, 7], 렌즈[8,9,10,11], 변칙 굴절[12, 13]을 포함하여 다양한 기능을 가진 다양한 메타표면이 구현되었습니다. , 소형 소용돌이 발생기[14,15,16] 및 고해상도 홀로그램[17,18,19].
메타 표면은 3차원 메타 물질에 비해 훨씬 더 나은 효율을 나타내지만 금속의 일반적인 사용으로 인해 손실을 여전히 심각하게 고려해야 합니다. 따라서 Huygens의 메타 표면 및 전체 유전체 메타 표면을 포함하여 전송 효율을 높이는 몇 가지 개선 된 방법이 있습니다. Huygens의 메타표면은 낮은 효율성을 피할 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 3차원 구조의 제작은 여전히 실제 적용을 방해합니다[20]. 다행히 유전체 메타표면은 동일한 주파수에서 중첩되는 전기 및 자기 공진을 동시에 보유하도록 최적화되어 완전한 2π를 가능하게 합니다. 높은 전송 효율을 가진 위상 제어 [21,22,23,24,25,26,27]. 그러나 이전 작업에서 시연된 대부분의 광학 장치는 ±1st 고차 모드보다는 빛의 파면을 조작하기 위한 차수 회절 모드[28,29,30]. 최근에 입사 파면을 제어하고 이산 위상을 변조하여 고차 모드에서 작동하는 새로운 접근 방식이 제안되었습니다. 여전히 금속의 고유 옴 손실로 인해 전송 효율이 상당히 낮습니다[31, 32].
이 작업에서 우리는 매우 높은 전송 효율로 고차 회절 모드에서 작동하는 파면을 조작하기 위한 유전체 메타표면을 제안합니다. 제안된 유전체 메타표면을 기반으로, 급격한 위상 불연속성을 가진 두 개의 편광 빔 스플리터가 통신 대역에서 설계되었으며 고차 모드에서 작동합니다. polarizing beam splitters는 최대 88%의 매우 높은 효율로 2개의 직교 입력 편광에 대해 2개의 서로 다른 파면을 생성할 수 있습니다. 또한, 고차 회절 모드에서 빛을 조작하기 위해 설계된 메타표면의 기능을 추가로 입증하기 위해 위상 전하가 2와 3인 2개의 와류 빔 생성기를 설계했습니다.
방법
설계된 유전체 메타표면의 개략도는 그림 1a의 삽입된 그림에 나와 있습니다. 굴절률이 각각 3.48과 1.48인 200nm 두께의 유리 기판에 에칭된 900nm 두께의 결정질 실리콘 나노브릭으로 구성됩니다. 높은 굴절률로 인해 실리콘은 고품질의 공진 특성과 낮은 고유 저항 손실을 나타냅니다. 또한, 나노구조 실리콘은 EBL, FIB와 같이 제조단가가 낮은 반도체의 성숙된 기술로 쉽게 얻을 수 있다. SiO2 1500nm 파장에서 반사 손실과 흡수 손실을 거의 무시할 수 있기 때문에 기판을 사용했습니다. 격자 상수는 S로 선택됩니다. =650 nm. 따라서, 실리콘 나노로드에 의해 유도된 투과광의 기하학적 위상은 X 및 Y 방향을 따른 나노브릭 치수에 따라 달라집니다. 수치 시뮬레이션은 FDTD(finite-different time-domain) 방법으로 수행됩니다. 시뮬레이션에서 완벽하게 일치하는 레이어(PML)는 경계 조건을 흡수하는 기능을 하기 위해 셀 위와 아래 레이어에 추가되었습니다. 또한, 셀 또는 단위 셀 주변에도 주기적 경계 조건(PBC)이 적용되었습니다. 동작 파장은 광통신의 파장으로 1500nm로 선택된다.