플라즈몬 공명을 기반으로 하는 직사각형 구멍 어레이가 있는 광대역 초박형 전송 1/4 파장판
초록
빛의 편광 상태 제어는 현대 광학 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 그러나 기존의 편광 조작 장치는 종종 대역폭이 좁고 크기가 커서 광학 시스템의 소형화 및 통합을 달성하기가 어렵습니다. 이 연구는 두께가 λ/50 미만인 주기적인 은막 2 × 2 직사각형 구멍 어레이가 있는 초박형 1/4 파장판을 제시합니다. 수치 시뮬레이션은 waveplate가 원형 편파를 1550 nm 중심에서 선형 편파로 효율적으로 변환할 수 있음을 보여주며 대역폭은 525 nm입니다. 또한, 1/4 파장판은 1550 nm에서 선형 편광을 원형 편광으로 효율적으로 반전시킬 수 있으며, 이는 타원도가 단위에 가깝습니다. 투과율을 높이기 위해 금속막에 작은 구멍을 배열하면 이 구조는 투과율을 0.44로 높일 수 있습니다. 광대역 1/4 파장판은 통신 시스템 및 근적외선 대역 시스템에 사용할 수 있으며 다른 광학 장치와 나노 스케일로 통합하여 편광 작동, 감지 및 감지를 달성할 수 있습니다.
소개
편광판, 파장판 및 렌즈와 같은 다양한 광학 응용 분야에서 빛의 편광을 조작하는 데 대한 관심이 증가하고 있습니다. 이 중에서 waveplate는 π/2 및 π와 같은 특정 위상차를 도입하여 다른 편광을 생성하여 1/4 또는 1/2 파장판을 얻을 수 있기 때문에 중요한 광자 구성 요소입니다. 기존의 waveplate 디자인은 결정의 복굴절을 사용하여 입사광에 다른 위상을 부과합니다. 그러나 자연 결정체에서는 복굴절 효과가 매우 약하여 수백 미크론의 두께를 갖는 파장판을 생성합니다. 부피가 큰 광학 부품은 종종 통합 및 위상 변조의 깊이에 어려움을 겪습니다[1,2,3,4]. 최근 나노포토닉스의 등장은 빛과 물질의 상호작용 연구에 새로운 방향을 제시하고 있다. 특히 나노광자소자(두께가 수십 나노미터 정도)는 전자파 간섭 없이 회절한계를 돌파할 수 있다. 대형기기를 대체할 수 있는 잠재력이 크다. 그 중 메타표면을 기반으로 하는 나노광자소자가 더욱 주목받고 있다. 메타표면 이론과 제조기술의 발달로 나노소자 개발이 가능해졌다[5].
메타표면은 반사 또는 투과에서 빛의 편광, 위상 및 진폭을 국부적으로 수정하는 평면 구조로, 설계에 의해 제어되는 기능을 가진 리소그래피 패턴의 평면 광학 구성요소를 가능하게 합니다. 일반적으로 파장보다 두께가 작습니다. 전송 또는 반사 과정에서 이방성 메타 표면은 TE 및 TM 파에 해당하는 다른 위상과 진폭을 생성하므로 기능적 메타 표면 설계에 큰 유연성을 제공합니다. 이것을 사용하여 렌즈, 위상판, 파장판, 편광판, 빔 스플리터, 임의 벡터 빔 발생기 등을 설계할 수 있습니다. [6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17].
플라즈몬 공명에 기반한 메타표면 1/4 파장판은 최근 몇 년 동안 핫스팟 중 하나이며[18,19,20,21,22,23,24], 타임라인에 게시된 문헌은 이 영역에서 지속적인 발전을 나타냅니다. 2011년 Zhao et al. 광대역 1/4 파장판으로서 직교 연장된 은 나노로드 어레이의 성능을 설계하고 연구했습니다. 이는 60 nm 두께에 걸쳐 90° 위상 이동을 도입할 수 있습니다[25]. Babinet의 원리에 영감을 받아 2013년 같은 그룹에서 나노슬릿의 1/4 파장판을 설계하고 가시광선 영역에서 CTL(Circular-to-Linear) 편광 변환을 달성했습니다. 금속층의 두께는 40 nm로 감소됩니다[26]. 위의 두 디자인은 CTL 편광에서 넓은 대역을 가지고 있습니다. 그러나, 두 개의 직교 편광된 빔의 동일한 진폭을 달성하는 것은 어렵습니다. 2012년 Zhao et al.의 선구적인 작업 직후 Roberts et al. 은 필름에 십자 모양의 구멍이 주기적으로 배열되어 있는 1/4 파장판을 제안했습니다. Waveplate의 전송 효율과 위상(고정 arm 너비의 경우)은 관련 arm의 길이에 민감합니다. LTC(linear-to-circular) 편광에서 변환은 710~760nm의 일부 개별 파장에서 이루어지며 은 필름의 두께는 140 nm입니다[27]. LTC 편광을 잘 얻을 수 있지만 파장은 특정 파장에서만 고정되고 금속 층이 상대적으로 두껍습니다. 유사하게, 2013년에 Yang et al. 대칭 L자형 플라즈마 안테나의 주기적인 평면 배열로 구성된 1/4 파장판을 제안했습니다. 투과광의 타원율은 1550 nm에서 0.994에 도달할 수 있습니다. 타원율이 0.9보다 큰 대역폭은 80 nm입니다[28]. 파장판의 원형 편광도는 거의 단위이지만 대역폭은 이상적이지 않습니다. 2015년에 초단위체의 나노안테나를 신중하게 설계함으로써 Li et al. 20nm 두께의 금 나노로드 어레이로 구성된 1/4 파장판을 달성했습니다. 이론적으로 1550 nm 부근에서 CTL 편광 및 역변환에서 변환을 실현할 수 있습니다. 원형편광도는 0.67, 전송효율은 0.4이다[29]. 초박형 구조는 광대역에서 CTL 편광을 구현할 수 있지만 1550 nm에서 LTC 편광의 타원도(진폭비)는 낮습니다. 또한 2017년 Zhu et al. 깨진 직사각형 환형 배열 1/4 파장판을 제안했습니다. 이것은 10nm 두께의 은막에 수직 방향으로 삽입된 두 쌍의 슬릿으로 형성됩니다. 120 nm CTL 편광 대역폭을 가지고 있습니다. 또한 파장판은 0.97의 원형 편광으로 LTC 변환을 달성할 수 있으며 전송 효율은 1550 nm에서 0.4입니다[30]. 대역폭을 희생시키면서 높은 편광 변환을 달성합니다.
위의 예를 통해 일반적으로 통신 대역에서 사용되는 이상적인 소형 전송 1/4 파장판으로서 다음과 같은 특성을 가져야 합니다. 첫째, 광대역에서 CTL 편파(LTC 편파) 변환을 실현할 수 있습니다. 둘째, 1550 nm에서 단위에 가까운 원편광성을 얻을 수 있다. 셋째, 전체 투과율은 가능한 한 높아야 합니다(손실이 없는 초박형 1/4 파장판의 최대 투과율은 표면 어드미턴스 이론에 의해 계산된 0.5이어야 함). 넷째, 초박형으로 비용 효율적이어야 합니다. 그러나 현재로서는 대부분이 여전히 이론적인 설계이며 수행된 실험은 거의 없습니다. 높이 대 너비의 비율이 너무 높거나 구조적 매개변수가 오류 등에 너무 민감하기 때문에 실제 1/4 파장판의 성능에 영향을 미칩니다.
위의 4가지 특성을 바탕으로 통신 대역에서 사용되는 전송 1/4 파장판을 제안한다. 단위 셀은 27nm 두께의 구멍이 있는 은막과 실리카 기판으로 구성됩니다. 4-홀 디자인은 단일 공진기의 좁은 대역폭의 단점을 피합니다. 그들은 국부적인 표면 플라즈몬을 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 위상 이방성을 증가시켜 급격한 위상 이동을 도입하고 금속층의 두께를 크게 줄일 수 있습니다. 또한, 파장판은 525 nm 대역폭에서 90° 위상차를 달성할 수 있습니다. 특히 원편광도는 1550 nm에서 투과효율이 0.44로 단위에 가깝습니다.
방법
그림 1은 제안된 plasmonic 1/4 파장판의 단위 셀을 개략적으로 보여줍니다. 4개의 직사각형 구멍이 2행 2열로 배열됩니다. 굴절률이 n인 공기 환경에 잠긴 파장판 =1. 실리카는 비분산(\( {\varepsilon}_{SiO_2}=1.47 \))으로 가정하고 은의 유전율은 Drude 모델에 의해 설명됩니다[25]: