플라즈몬 공명을 기반으로 하는 직사각형 구멍 어레이가 있는 광대역 초박형 전송 1/4 파장판

결과 및 토론

시뮬레이션된 위상 변이 φ _x , φ _와 차이가 그림 2a에 나와 있습니다. △φ 1200 nm에서 급격히 떨어지고 결국 △φ 부근에서 안정화됨 =90°. 1550 nm 부근의 투과율 곡선과 위상차를 Fig. 2b에 나타내었다. 일반적으로 위상차가 90° ± 5°인 1/4 파장판은 정상적으로 작동하는 것으로 간주할 수 있습니다. 1328 nm의 경우 △φ =95°, 1853 nm의 경우 △φ =85°, 즉 525 nm의 근적외선 대역폭 내에서 우리의 설계는 원형 편광에서 선형 편광으로의 변환을 실현할 수 있습니다. 이것은 근적외선 1/4 파장판의 현재 게시된 대역폭에서 탁월합니다.

제안된 구조의 시뮬레이션 결과. 아 T 단계 _x , T _와 W일 때 차이가 있습니다. _x =100 nm. ㄴ 투과율 T , T _x 그리고 T _와 , 그리고 두 전송 빛의 위상차. ㄷ 티 _x 그리고 T _와 W일 때 곡선 _x 변경. 작은 이미지는 1550 nm 부근의 상세도입니다. T의 변이 경향을 보여줍니다. _x , T _와 , 총 투과율 T , 통신 파장에서의 위상차

변경된 사이즈 W _x 구멍의 x-에 다른 효과가 있습니다. 그리고 y- 양극화. 그림 2c는 W일 때의 투과율을 나타냅니다. _x 변경. T의 정점 _와 그리고 T의 매우 날카로운 피크 _x 1200 nm에서 P _x =1200 nm. Wood의 이상이 발생하기 위한 조건은 λ =p( 죄θ _나 + 1) [31, 32] 및 θ _나 수직 입사파의 경우 0입니다. 따라서 피크는 λ =P일 때 발생합니다. _x . 또한 P가 감소함에 따라 _와 , T 계곡 _x 단파장 방향으로 이동하고 T _와 장파장 방향으로 이동하여 두 곡선의 교차점에 해당하는 파장과 투과율의 변화를 초래합니다. 또한 작은 이미지는 T _x 그리고 T _와 때 W _x 50에서 100 nm로의 변화. 타원율을 의미합니다 |T _와 |/|T _x | =1이므로 제안된 구조는 LTC 편광에서 1/4 파장판의 변환을 실현할 수 있습니다. 효율은 약 0.44로 이전 문헌[28]에서 표면 어드미턴스 방법으로 증명된 이상적인 투과율 0.5에 가깝습니다. 또한 조리개 너비가 W일 때 _x 가 50에서 100 nm로 증가하면 작동 파장이 1518(약 0.43의 투과율)에서 1550 nm(약 0.44의 투과율)로 이동합니다. 이는 제안된 작업이 견고성이 우수하고 실험 준비에 유리하다는 것을 의미합니다.

x-pol.에서 전기 및 자기 쌍극자(ED 및 MD)의 공진을 수치적으로 분석합니다. 및 y-pol. 다른 W에서 _x . x-에 대해 1550 nm에서 두 편파 방향에서 MD 공진이 거의 없고 ED 공진이 있음을 Fig. 3a, b에서 알 수 있다. y-에 대한 편광 및 1600 nm 양극화. 그림 3c는 x-pol.에서 전기장의 세기와 방향을 보여줍니다. 입사각(λ =1550 nm) 및 y-pol.에 대한 그림 3d (λ =1600 nm). ED 공진은 벡터 화살표로 표시된 방향에서 볼 수 있습니다. W의 변화 _x x-pol.의 쌍극자 공명에 거의 영향을 미치지 않습니다. 하지만 y-pol. 상대적으로 영향을 받습니다. Wood의 이상 범위와 전기 쌍극자의 위치를 ​​변경함으로써 설계의 전송, 위상 및 분극을 더 잘 제어할 수 있습니다. 이를 통해 근적외선 대역에서 더 나은 1/4 파장판 성능을 얻을 수 있습니다. 또한 메타표면 파장판 설계에 대한 새로운 아이디어를 제공합니다[33,34,35,36,37,38,39,40,41].

아 ED 공명의 강도. ㄴ MD 공명의 강도. c, d x-pol.의 전기장 강도 및 벡터 및 y-pol. 발생률, 각각

1/4 파장판의 작동 대역과 1550 nm 부근의 통신 파장에서의 성능을 조사하기 위해 비교를 네 부분으로 나눕니다(표 1 참조):1550 nm에서의 원형 편광, 1550 nm에서의 투과 효율, 두께 원형 편광에서 선형 편광까지의 대역폭을 얻을 수 있습니다.

표 1의 첫 번째 열은 구조의 평면도(2차원)이며, 이는 개략도일 뿐 구체적인 크기와 비율을 나타내지 않는다. 재료는 단순히 그림으로 표시됩니다. 두 번째 열은 원형 편광을 선형 편광으로 변환할 수 있는 1/4 파장판 구조의 대역폭이며 위상차 범위는 90° ± 5°입니다. 세 번째 열은 1550 nm에서 LTC 편광 투과율의 타원율입니다. 타원율 |T _와 |/|T _x |. 네 번째 열은 타원율이 |T일 때 해당 파장입니다. _와 |/|T _x | =1, 그리고 △φ =φ _와 -φ _x =(2 m + 1) × 90° 동시에, 여기서 m 정수입니다. 다섯 번째 열은 각 1/4 파장판의 금속층 두께이며 실리카는 유일한 다른 물질입니다. 위의 모든 기사의 결과는 FEM, FDTD 등을 사용한 시뮬레이션에서 나온 것입니다.

표 1a, d, e, f 및 g의 통신 대역폭에서 작동하는 5가지 구조의 성능은 막대 그래프로 표시됩니다. 그것들은 각각 나노막대, L자형, 깨진 직사각형 고리 배열, 단층 금 나노막대 배열 및 2x2 직사각형 구멍 은막 구조를 나타냅니다. 1550 nm에서 서로 다른 1/4 파장판의 원형 편광도와 전송 효율은 그림 4a에 표시되어 있고, 각각의 금속층 두께와 작업 대역폭은 그림 4b에 표시되어 있습니다. 편의를 위해 본 논문에서 제안한 금속 두께(27 nm)와 동작 대역폭(525 nm)을 기준으로 두께와 대역폭을 정규화하였다.

표 1a, d, e, f 및 g에 언급된 구조의 특성 비교. 아 LTC 편광의 타원도와 1550 nm에서의 총 투과율. ㄴ 제안된 구조를 기반으로 하는 정규화된 금속 두께 및 CTL 편광의 정규화된 대역폭 g

위에서 언급한 5가지 구조를 비교해보면 a 구조가 가장 높은 투과율과 넓은 대역을 가지지만 1550 nm에서 원편광을 달성하는 것은 완전히 불가능하고 두께가 매우 큼을 알 수 있습니다. 구조 d는 가장 높은 원형 분극도, 높은 전송 효율 및 두께를 5개 중 2위이지만 대역폭이 매우 좁습니다. 이 디자인은 1550 nm에서 CTL 및 LTC 편광을 잘 얻을 수 있지만 대역폭이 큰 1/4 파장판에는 적합하지 않습니다. Ultrathin waveplate e와 f는 10 nm의 동일한 두께와 가장 낮은 전송 효율을 가지고 있습니다. 그러나 원형 편파성을 비교하면 e가 f보다 성능이 더 좋고 대역폭 f가 e보다 훨씬 좋습니다. 구조 f가 가장 넓은 대역을 갖지만 다른 세 가지 지표는 모두 최악이며 1550 nm에서 원편광을 달성하는 것은 불가능합니다. 구조 g는 LTC/CTL 변환을 효율적이고 완벽하게 실현할 뿐만 아니라 얇은 두께와 넓은 작동 대역의 특성을 가지고 있습니다. 이것은 1/4 파장판에 필요한 성능을 측정한 결과입니다. 기존의 나노프로세싱 기술과 출판된 문헌을 결합하여 1/4 파장판을 실험적으로 준비할 수 있음을 발견했습니다. 일반적으로 말해서, 우리는 세 단계로 실험을 수행할 수 있습니다. 첫째, 직사각형 모양의 패턴이 실리카 기판의 전자빔 리소그래피(EBL)에 의해 ZEP520 레지스트 층에 정의됩니다. 둘째, 전자빔 노출에 의해 1/4 파장판 슈퍼셀 상보 구조 어레이가 얻어진다. 셋째, 전자빔 증발에 의해 얇은 은층이 증착된다. 마지막 단계에서 리프트오프 또는 에치백 공정으로 원치 않는 물질을 제거합니다. 참고문헌[25]은 금 나노로드 1/4 파장판을 제조하기 위해 동일한 절차를 사용했습니다. 은 나노로드의 두께는 60 nm이고 가장 좁은 폭은 20 nm입니다. 깊이 대 너비가 3으로 상대적으로 제조가 어렵다는 의미입니다. 참고 문헌 [16]은 동일한 프로세스를 사용하여 1/4 파장판을 만들었습니다. 금 필름의 두께는 35 nm이고 가장 좁은 금속 간격은 10 nm에 불과합니다. 불가피한 두께 불균일성과 재료 손실이 더 짧은 파장에서 공진 강도를 감소시키기는 하지만 측정값은 시뮬레이션과 잘 일치합니다. 이 연구에서 파장판의 은층 두께는 27 nm이고 가장 좁은 부분은 50 nm이며 깊이 대 너비는 약 0.5입니다. 또한, Fig. 2c의 작은 이미지에서 보는 바와 같이, 조리개 너비가 W일 때 _x 가 80에서 100 nm로 증가하면 작동 파장이 1545(약 0.432의 투과율)에서 1550 nm(약 0.44의 투과율)로 이동합니다. 이는 논문의 구조가 견고하고 실험 오류의 영향을 크게 받지 않는다는 것을 의미합니다.

따라서 여러 개의 Aperture 구조는 (구성하기 어려운) 가느다란 구조에 의한 이방성 위상차를 도입하는 아이디어를 피하고 1/4 파장판 설계에 새로운 방향을 제시합니다.