하이브리드 유전체-그래핀 메타표면에 대한 이전 연구는 갇힌 자기 공명을 기반으로 하는 높은 Q 인자를 나타내면서 유도 투명 장치를 구현하는 데 사용되었습니다. 일반적으로 투명 창은 단일 파장이며 편광 변환 구조에 덜 적합합니다. 이 작업에서 제어 가능한 복굴절을 가진 하이브리드 실리콘-그래핀 메타표면을 기반으로 하는 1/4 파장 플레이트가 수치적으로 설계되었습니다. 갇힌 자기 모드 공명 현상과 높은 Q 계수는 실리콘과 실리카 사이에 그래핀을 삽입하여 조절됩니다. 이는 그래핀이 없는 전체 유전체 구조와 비교하여 더 넓은 투과 파장을 초래합니다. 복굴절 조정성은 실리콘의 치수와 그래핀의 페르미 에너지를 기반으로 합니다. 결과적으로, 선형에서 원형으로의 편광 변환은 근적외선에서 96%의 높은 정도에서 달성됩니다. 또한 산란광의 편광 상태는 외부 게이트 바이어싱 전압에 따라 좌우 원형 편광 간에 전환할 수 있습니다. 플라즈몬 메타표면과 달리 이러한 성과는 복사 및 저항 손실이 없는 효율적인 구조를 보여줍니다. 또한, 초박형 두께와 구조의 소형화는 통합 및 CMOS 호환 포토닉 센서를 구현하는 핵심 구성 요소로 입증되었습니다.
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배경
나노 광자학 연구는 특히 조정 가능하고 실험적으로 가능한 광 조작 메타표면을 설계하는 데 있어 모든 유전체 요소로 이동하고 있습니다[1, 2]. 주요 목표는 이러한 메타표면을 나노광자 감지 장치에 통합하는 것입니다. 유전체 메타표면으로 초점이 이동하는 것은 플라즈몬 메타표면과 비교하여 실리콘 및 기타 유전체 재료에서 나타나는 낮은 복사 및 저항 손실로 인한 것입니다. 결과적으로 높은 Q 트랩 모드 공진을 사용하는 특수 플라즈몬 구조는 이전에 전송 효율을 향상시키기 위해 제안되었습니다[2-5]. 손실 감소는 이산 전기 모드와 자기 모드 간의 간섭 또는 금속 요소의 대칭 파괴를 통해 달성됩니다. 손실 감소를 향상시키는 자유 공간의 약한 결합이 개발되었습니다[1, 6]. 티타니아(TiO2)와 같은 자기공명을 나타내는 물질 ), 실리콘 질화물 및 게르마늄은 낮은 손실로 인해 전자기 스펙트럼의 다양한 영역에서 우수한 광학 특성을 나타냅니다[7-9]. 특히, 가시광 분산이 낮고 전기 광학 특성이 강하여 대비가 낮은 메타표면 광학 요소 설계에 사용할 수 있습니다.
최근 그래핀 기반 Fano 공명 메타표면은 변조기[10-13], 흡수기[14, 15], 저속광 장치[16, 17], 망토[16, 18]와 같은 광 조작 장치에 성공적으로 제안되었습니다. 뿐만 아니라 다른 사람. 이 장치에서 단층 그래핀과 공진 갭의 제한된 전기장 사이의 강한 상호 작용의 결과로 복사 손실이 완화되었습니다. 그래핀은 조정 가능한 광 전도도 및 높은 캐리어 이동도를 비롯한 놀라운 특성을 제공합니다. 이를 통해 복사 손실이 억제된 높은 Q 공진 구조를 지원할 수 있습니다[19, 20]. 반면에 금속 메타표면은 하위 파장 요소를 사용하여 전기장 제한을 강화하고 충돌하는 빛의 위상, 진폭 및 편광에 급격한 변화를 만듭니다.
스플릿 링 공진기(SRR)는 광학 특성을 조정할 때 유연성을 허용하는 인덕턴스-커패시턴스 공진 특성으로 인해 일반적인 플라즈몬 메타표면 요소입니다. 유사하게, 다른 유전체 메타표면은 조정 및 제작 능력으로 인해 SRR을 기본 메타표면 단위로 사용합니다[21, 22]. 실리콘 필름의 "Z 슬롯"과 같은 다른 요소 모양도 편광 스플리터로 설계되었습니다[23]. 그러나 금속 메타표면은 높은 저항 손실과 낮은 투과율을 가지고 있어 광 조작 효율을 낮춥니다[24, 25].
Chen et al.이 제안한 전유전체 메타 소자 및 경사 격자 분극 변환기. 및 Kruk et al.은 ~ 99% 놀라운 효율성을 보였습니다. [26, 27]. 구조는 테라헤르츠 및 근적외선 영역에서 각각 0.35 및 0.9의 높은 복굴절 비율을 나타냅니다. 그러나 복굴절 조정 메커니즘은 제안되지 않았습니다. 이 연구에서는 게이트 전압 바이어싱을 통해 복굴절 조정 가능성과 스위칭을 시연하고 치수 변화를 통해 구조 유연성을 보여줍니다. 일반적으로 고굴절률 안테나로 구성된 메타표면은 임피던스 불일치로 인한 부분적인 후방 반사의 존재로 인해 제한됩니다. 이 문제를 극복하는 방법은 거의 단일 전송이 실현될 수 있도록 강력한 국부 전기 및 자기 Mie 유형 공진을 갖는 실리콘 메타표면을 설계하는 것입니다[28-30]. 반면에 고대비 메타표면은 격자선을 따라 정확한 위상 또는 편광 프로파일을 구현하기 위해 효율성은 높지만 공간 분해능이 낮습니다[31, 32].
이 작업에서는 트랩된 자기 모드를 기반으로 하는 높은 Q 계수를 가진 전체 유전체 메타표면이 표시됩니다. 제안된 단위 셀은 실리콘, 그래핀 및 실리카 기판으로 구성된 십자형 비대칭 직사각형 쌍극자로 구성됩니다. 그래핀 층은 실리콘과 실리카 사이에 끼워져 있습니다. 1/4 파장 판 특성을 나타내면서 그래핀의 고유한 특성과 실리콘의 치수를 통해 편광을 제어합니다. 따라서 입사된 직선편광은 근적외선(> 95%)에서 높은 PCR(편광변환비)로 원편광으로 변환됩니다. ). 또한, 산란광의 원형 편광 상태는 외부 게이트 전압 바이어싱을 통해 RCP(오른쪽 원형 편광) 상태와 LCP(왼쪽 원형 편광) 상태 간에 전환할 수 있습니다. 이러한 동적 편광 제어는 구조의 자유도를 증가시키고 CMOS 포토닉 장치에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 유한요소법은 COMSOL Multiphysics®를 사용하여 단위 셀을 모델링하고 메타표면의 성능을 분석하는 데 사용되었습니다.
방법
구조의 단위 셀의 개략도는 그림 1a에 나와 있습니다. 그래핀 층 위에 실리콘 십자형 안테나와 실리카 기판으로 구성되어 있습니다. 실리콘과 실리카의 비유전율은 각각 12.25와 2.25이다[33]. 모든 치수는 그림 1a의 캡션에 나와 있습니다. 첫째, 허용 가능한 공진을 얻기 위해 주기성 Px =600 nm가 고정되었고 P와 여러 값을 휩쓸었습니다. 내부 치수 L1 =440 nm 및 L2 =370 nm도 고정된 상태로 유지되었지만 나중에 위상 조정을 위해 최적화되었습니다. 높이 h =110 nm 및 너비 W =60 nm는 시뮬레이션 전반에 걸쳐 고정된 상태로 유지되었습니다. 포트 소스의 수직 입사광, 주기적 경계 및 출구 끝의 완벽하게 일치하는 레이어가 사용되었습니다.