고효율 편광 빔 스플리터 및 광학 와류 발생기를 위한 고차 유전체 메타표면

결과 및 토론

편광 빔 스플리터 설계

온칩 편광 제어는 광자 집적 회로에서 중요한 문제입니다. polarizing beam splitter는 칩의 편광을 제어하는 ​​데 사용되는 필수 광학 장치 중 하나이며, 입력된 빛을 두 개의 직교 편광 구성 요소로 분리하는 데 사용할 수 있습니다[33, 34]. 위의 시뮬레이션 결과에 따르면 제안된 유전체 메타표면을 기반으로 조정 가능한 복굴절을 갖는 빔 스플리터가 실현될 수 있으며, 이는 XLP 굴절 광의 두 가지 다른 위상(φ _x ) 및 YLP 굴절광(φ _와 ) 나노브릭 직경 a를 적절하게 선택하여 동시에 얻을 수 있습니다. 그리고 b , 각각. 따라서 우리는 여기에서 메타표면을 설계하고 이 새로운 속성을 사용하여 최대 88%의 높은 투과율로 입력광의 두 직교 편광을 두 방향으로 구별하는 편광 빔 스플리터를 구현합니다. 또한 설계된 메타표면은 1차 회절 모드뿐 아니라 고차 회절 모드에서도 작동할 수 있습니다.

우리는 고효율로 서로 다른 차수의 회절 모드를 생성하기 위해 3가지 다른 순열을 가진 13개의 유전체 나노브릭으로 편광 빔 스플리터를 설계합니다. 메타서피스 1(M ₁ ), 위상 범위를 0에서 2까지 이산화π 그리고 2π부터 0에서 2π의 동일한 단계로 13개의 나노브릭으로 /13 및 -2π X-편광 및 Y-편광 투과광 각각에 대해 /13. 13개의 선택된 실리콘 나노브릭의 측면 치수는 그림 2a의 첫 번째 줄에 표시된 것처럼 오름차순으로 번호가 매겨집니다. 분명히 위상 제어의 범위는 M에서 단위 셀을 적절하게 선택하여 고차 회절 모드로 확장될 수 있습니다. ₁ 그리고 그것들을 재정렬합니다. 예를 들어 회절 모드를 N차로 확장하면 위상 범위는 0에서 N까지 포함되어야 합니다. × 2π N에서 × 2π 위상차가 N인 상태에서 0으로 × 2π /13 및 -N × 2π X-편광 및 Y-편광 투과광 각각에 대해 인접한 두 나노브릭 사이의 /13. 따라서 그림 2a의 두 번째 라인은 3차 회절 모드(M ₃ ), 위상 제어 범위는 0 ~ 3 × 2π 그리고 3 × 2π에서 3 × 2π의 위상차로 0으로 /13 및 -3 × 2π X-편광 및 Y-편광 투과광 각각에 대해 인접한 두 나노브릭 사이의 /13. 또한 메타표면(M ₅ ) 5차 회절 모드는 13개의 유전체 나노브릭 세트로 구성되며, 0에서 5 × 2π까지의 전체 위상 제어 범위를 포함하도록 재배열됩니다. 그리고 5 × 2π에서 5 × 2π의 위상차로 0으로 /13 및 -5 × 2π /13은 그림 2a의 세 번째 라인에 표시된 것처럼 X-편광 및 Y-편광 투과광에 대해 각각 인접한 두 나노브릭 사이입니다. 아이디어를 명확하게 보여주기 위해 XLP 및 YLP 조명 아래에서 세 가지 구체적인 순열에서 13개 안테나의 전송 위상이 그림 2b에 표시됩니다.

세 가지 다른 차수 회절 모드를 갖는 유전체 메타표면의 설계. 아 13개의 설계된 나노브릭의 측면 치수 개략도. 첫 번째 줄 엠 ₁ :0 ~ 2π 범위의 전송 위상을 갖는 슈퍼셀 . 두 번째 줄 M ₃ :0 ~ 3 × 2π 위상 범위를 갖는 재배열된 슈퍼 셀 . 세 번째 줄 M ₅ :0 ~ 5 × 2π 위상 범위를 갖는 재배열된 슈퍼 셀 . ㄴ XLP(검은색 선 ) 및 YLP(파란색 선 ) 발생률, 각각. ㄷ 아 (검은색 실선 ) 및 b (검은색 점선 ) 설계된 메타표면에 사용된 13개의 나노브릭 중 M ₁ . 파란색 선 M 단위로 13개의 나노브릭의 전송 효율을 나타냅니다. ₁ XLP에서(실선 ) 및 YLP(점선 ) 발생률, 각각

또한 XLP 및 YLP 광 하에서 13개의 설계된 나노브릭의 투과율이 시뮬레이션되었으며 이론적인 예측과 잘 일치합니다. 그림 2c는 메타표면 M에서 실리콘 나노브릭의 기하학적 치수와 13개의 나노브릭의 투과 효율을 보여줍니다. ₁ XLP 및 YLP 조명 아래에서. 대부분의 유전체 나노브릭의 공극 투과율은 거의 80%를 유지하는 두 나노브릭의 투과율이 있지만 거의 비슷하며 88% 이상을 유지합니다. 이러한 시뮬레이션 결과는 우리가 설계한 메타표면이 수많은 광학 장치를 고효율로 제작하는 데 적용될 수 있음을 입증합니다.

편광 빔 스플리터의 수치 시뮬레이션은 설계된 메타표면 M을 조명하여 수행됩니다. ₁ 45 ^° 의 편광 각도로 수직 입사에서 . 콘크리트 XLP 및 YLP 광은 그림 3a에 표시된 대로 전체 투과 필드에서 추출될 수 있습니다. 잘 정의된 파면과 M의 co-polarized transmission 효율이 존재한다는 것이 분명합니다. ₁ 도 3b에서 투과각의 함수로 플롯팅된다. 최대 공극 전송 각도는 -10.2 ^° 입니다. 및 10.2 ^° 전송된 XLP 및 YLP 조명에 대해 각각. 첫 번째 순서의 효율성은 T입니다. _xx =85.9% 및 T _yy =전송된 XLP 및 YLP 조명 각각에 대해 88.4%, 여기서 T _xx XLP 입사각 및 T가 있는 XLP 광의 시뮬레이션된 투과 계수입니다. _yy 는 YLP 입사와 함께 YLP 빛의 시뮬레이션된 투과 계수입니다. 공간적으로 균질한 나노브릭 어레이의 전송 효율과 비교하여 다른 차원의 공진기 간의 결합으로 인해 변환 효율이 약간 감소합니다[35]. 일반화된 Snell의 법칙에 기초하여 기울기 메타표면에서 입사광의 회절각은 θ로 계산할 수 있습니다. _그 =sin ⁻¹ [(λ ₀ /n _그 엘 ) + n _나 죄(θ _나 )/n _그 ], 여기서 n _그 그리고 n _나 는 각각 인터페이스의 투과면과 입사면에서 매체의 굴절률, θ _나 입사각, λ ₀ 는 진공에서 빛의 파장이고, L 는 슈퍼셀의 길이입니다[36]. 따라서 1차 회절각의 이론적 결과는 ±10.22 ^° 입니다. . 수치 시뮬레이션과 이론은 서로 잘 일치합니다. 즉, 설계된 장치는 적절한 연속 처리로 편광 빔 스플리터 역할을 할 수 있습니다. 또한, 입사 파면은 메타표면에서 반사광의 영향을 거의 받지 않았으므로 모든 입사광이 메타표면에서 매우 높은 효율로 투과될 수 있음을 확인합니다.

아 전기장 분포(E ) 추출된 전송 XLP(left ) 및 YLP(오른쪽 ) 빛, 45 ^° 의 일반 입사광일 때 설계된 메타표면을 통해 투과되는 1500 nm의 파장에서 선형 편광. ㄴ 각각 X-편광 및 Y-편광 조명 아래에서 투과 각도의 함수로 설계된 메타표면의 공편광 투과 효율

비교를 위해 그림 4는 새로 설계된 슈퍼셀(M ₃ 그리고 M ₅ ) 45 ^° 미만 선형 편광 입사광. 두 슈퍼셀의 투과 위상 범위가 변경되었기 때문에 M ₃ 그리고 M ₅ 이론적으로 ±32.18 ^° 로 계산됩니다. 및 ±62.56 ^° , 각각. 그림 4a, b에는 3차 회절각이 -32 ^° 인 두 개의 잘 정의된 위상 전면이 있습니다. 및 32 ^° 전송된 XLP 및 YLP 조명에 대해 각각. 도 4c, d에서 5차 회절각은 -63 ^° 및 63 ^° 전송된 XLP 및 YLP 조명에 대해 각각. 또한, 재배열된 슈퍼셀 M으로 구성된 설계된 메타표면의 시뮬레이션된 공극 전송 효율 ₃ 그리고 M ₅ 도 5a, b에도 각각 예시되어 있다. 피크 투과각은 일반화된 스넬의 법칙에 의해 계산된 이론적인 회절각과 잘 일치하며 3차 공편광 회절 효율은 투과된 XLP 및 YLP 광에 대해 82 및 84%입니다. 그러나 5차 공편광 회절 효율은 투과된 XLP 및 YLP 광의 경우 73.5%와 78.4%에 불과하며, 이는 본질적으로 서로 다른 기하학적 구조를 가진 인접 나노브릭 간의 원하지 않는 EM 결합으로 인해 발생합니다. 따라서 설계된 메타표면은 13개의 유전체 나노브릭의 배열을 수정함으로써 고차 회절 모드에서 잘 작동할 수 있습니다. 더 중요한 것은 슈퍼셀에서 인접한 유전체 나노브릭 사이의 위상차를 제어하여 회절 모드를 맞춤화할 수 있다는 점입니다.

추출된 전송된 XLP의 전기장 분포(왼쪽 ) 및 YLP(오른쪽 ) 45 ^° 의 정상 입사 상태에서 M의 메타표면에 대한 선형 편광 빛 ₃ (아 , b ) 및 M ₅ (ㄷ , d ), 각각

재배열된 슈퍼셀 a로 구성된 설계된 메타표면의 공극 전송 효율 엠 ₃ 그리고 b 엠 ₅ 각각 X-편광 및 Y-편광 조명 아래에서 투과 각도의 함수로

광 와류 발생기 설계

광학 소용돌이 빔은 나선형 파면을 가지며 lℏ의 궤도 각운동량을 전달합니다. [37, 38], 고해상도 리소그래피[39, 40], 광학 트래핑[41, 42], 광통신[43, 44] 등에서 큰 가능성을 보여줍니다. 여기서 위상 전하 l 는 파면의 비틀림 횟수이고 ℏ 는 감소된 플랑크 상수입니다. 위상 전하가 1인 소용돌이 빔은 나선형 위상 프로파일이 0에서 2π 범위인 메타표면에 의해 생성될 수 있습니다. 방위각 방향을 따라 동일한 위상 증분으로. 따라서 전송된 위상 및 회절 모드를 조작하기 위해 설계된 메타표면의 기능을 추가로 입증하기 위해 입사 균질 가우시안 빔을 와류 빔으로 변환할 수 있는 와류 생성기를 설계합니다. 이 목표를 달성하기 위해 우리는 M ₁ 2π의 기울기 위상 증분을 도입하기 위해 13개 섹터로 /13 방위각 방향을 가로질러. z에서 XLP 발생에서 전송된 강도 프로파일 =10 μm 도 6a에 도시된 바와 같이 위상 특이점에 대응하는 중심에서 최소 특성 강도를 갖는다. -π에서 명백한 급격한 위상 점프가 있는 공간 위상 패턴 π로 2π 이내 방위각 범위는 그림 6d에 나와 있으며, 이는 그림 6d의 광학 장치의 위상 전하가 1임을 나타냅니다.

아 –ㄷ 전송된 강도 분포 및 d –f z에서 생성된 와류 빔의 위상 파면 =10μm l의 위상 전하로 =1 , 2 , 3 메타표면 M 기반 ₁ , 남 ₂ , 및 M ₃ X-편광 입사에서 각각

또한 M의 나노브릭 배열을 변경하여 와류 빔을 생성하는 다른 2개의 와류 발생기를 설계합니다. ₁ . 이 두 와류 빔 발생기는 각각 2와 3의 위상 전하를 갖습니다. XLP 입사에서 전송된 강도 프로파일은 각각 그림 6b, c에 나와 있습니다. 구체적인 설계 방식은 나노브릭의 위상차를 4π로 변조하는 것입니다. /13 및 6π /13 M으로 정의되는 두 개의 인접한 유전체 나노브릭 사이 ₂ 그리고 M ₃ . 따라서 그림 6e, f의 순간 공간 위상 프로파일은 -π π로 , 각각. 입사 편광을 XLP에서 YLP로 전환해도 출력 강도 패턴은 변경되지 않지만 나선형 파면의 비틀림 방향은 이웃하는 나노브릭 사이의 위상차 감소로 인해 반대가 됩니다. 또한, 우리가 설계한 유전체 메타표면에 의해 고차 위상 프로파일이 생성될 수도 있다는 점에 유의해야 합니다.