이 논문에서 우리는 가시 영역에서 분극 분할의 기능을 실현하기 위해 용융 실리카 기판 위에 놓인 서로 다른 크기의 십자형 실리콘 나노 블록의 주기적 배열로 구성된 전체 유전 구배 메타 표면을 제시합니다. 십자형 실리콘 블록 어레이는 x를 따라 두 개의 반대 전송 위상 기울기를 유도할 수 있습니다. -선형 x의 방향 -편극 및 y - 양극화. 적절하게 설계함으로써 메타표면은 선형 편광을 x로 분리할 수 있습니다. - 그리고 y - x에서 수직 입사각의 왼쪽과 오른쪽을 따라 같은 각도로 전파되는 편광 -z 비행기. 특히, 편광각이 45.0°인 빔이 제안된 소자에 입사될 때 x - 그리고 y -편광 투과광은 579~584 nm의 파장 범위 내에서 거의 동일한 강도를 갖는다. 우리는 제안된 편광 빔 스플리터가 미래의 자유 공간 광학 장치에 중요한 역할을 할 것으로 기대합니다.
최근 몇 년 동안 어레이 구성의 나노 안테나로 구성된 2차원 하위 파장 구조인 메타 표면이 큰 주목을 받고 있습니다. Metasurface는 구조화된 초박형 두께로 인해 입사빔 매개변수가 갑자기 변경되기 때문에 하위 파장 규모에서 입사광을 조작할 수 있습니다. 예를 들어, 입사빔의 위상[1,2,3,4,5], 진폭[6,7,8,9] 및 편광[10,11,12,13]은 모양을 조정하여 조작할 수 있습니다. , 크기 및 하위 파장 나노 안테나의 방향. 기존의 부피가 큰 재료와 비교할 때 메타 표면 장치는 제조가 더 쉽고 광 경로의 초박형 두께는 전송 손실을 크게 억제할 수 있습니다. 위의 흥미로운 장점을 기반으로 메타표면은 편광 변환기[11,12,13], 풀 컬러 인쇄[14], 홀로그래피[15], 평면 렌즈[16], 광학 소용돌이 생성[16]과 같은 많은 응용 분야에서 사용되었습니다. 4, 17] 및 스펙트럼 분할 [18,19,20,21].
금속 나노구조는 원래 빔 편향이 있는 메타표면을 구성하는 데 사용되었습니다[1, 22, 23]. 필요한 2π 위상 커버리지는 일반적으로 두 가지 방법을 기반으로 달성할 수 있습니다. 하나는 2개의 독립적인 공진을 생성하며, 각각은 π의 위상 변이를 도입합니다. 다른 하나는 편광 의존형 하위 파장 공진기를 0°에서 180°로 공간적으로 회전시키는 것입니다. 그러나 금속 메타표면의 흡수 손실은 전송 모드에서 효율성을 제한합니다. 모든 유전체 메타표면은 낮은 흡수 손실로 인해 금속 표면을 대체하기 위해 최근 제안되었습니다[24,25,26,27,28]. 현재까지, 모든 유전체 메타표면에서 2π 위상 변이를 실현하기 위해 세 가지 다른 접근 방식, 기하학적 위상[27], Mie 공명[2, 4, 7] 및 Fabry-Pérot 공명[3, 28]이 입증되었습니다. 첫 번째 방법은 금속 메타표면의 위의 두 번째 방법과 유사합니다. 원형 편광에 대해 작동합니다. 두 번째 메커니즘은 스펙트럼 중첩 자기 및 전기 공명을 기반으로 전체 2π 위상 범위를 다룹니다. 이러한 방식으로 설계된 메타표면을 Huygens 메타표면이라고도 합니다. 세 번째 방법은 이 논문에서 사용한 것과 마찬가지로 원하는 위상 제어를 얻기 위해 높은 종횡비의 나노 안테나를 사용합니다. 이 경우 안테나는 절단된 도파관으로 간주될 수 있으며, 다른 크기의 유전체 안테나에서 기본 모드의 유효 굴절률에 의해 전송 위상이 조작됩니다. 실리콘은 일반적으로 높은 굴절률, 낮은 손실 및 성숙한 공정 제조를 위해 전체 유전체 메타표면 장치[2,3,4]에 적용됩니다. 실리카(SiO2 ), 질화규소(Si3 N4 ) 및 이산화티타늄(TiO2 ), 손실은 무시할 수 있지만 더 높은 종횡비는 제작을 매우 어렵게 만듭니다.
서로 다른 경로를 따라 전파되는 두 개의 직교 편광 구성 요소로 광학 빔을 분리할 수 있는 장치인 편광 빔 스플리터는 광학 시스템에서 중요한 구성 요소입니다. 문헌에 보고된 Polarization beam splitter는 주로 subwavelength 구조[29,30,31], hybrid plasmonic coupler[32], grating[33], MMI(multimode interference) 구조[34] 등의 구조를 기반으로 설계되었습니다. 비대칭 방향성 커플러[35, 36]. Farahani와 Mosallaei[29]는 들어오는 빛을 두 개의 직교 편광 반사빔으로 재방사하기 위해 적외선 반사배열 메타표면을 제안했습니다. Guo et al. [30]은 1500 nm의 특정 파장에서 실리콘 메타표면을 기반으로 하는 편광 스플리터를 설계했습니다. 이 작업에서 우리는 실리카 기판 상단에 서로 다른 십자형 실리콘 공진기 어레이로 구성된 유전체 메타표면을 기반으로 하는 간단하고 큰 각도의 편향된 편광 빔 스플리터를 제안합니다. x일 때 - 또는 y - 편광된 빛은 수직으로 입사되며 투과된 빛의 편광 방향은 입사광의 편광 방향과 동일합니다. 583 nm의 파장에서 편향각은 46.78°이고 편향 효율은 x에서 63.7%입니다. -편광 입사, 편향 효율은 66.4%이고 편향 각도는 y에 대해 - 46.78°입니다. - 양극화 된 것. 또한, 제안된 장치는 선형 편광을 x로 분리할 수 있습니다. - 그리고 y - 양극화된 것들. 특히 입사광의 편광이 x에 대해 45°일 때 -축, 2개의 직교 편광 투과 빔은 579 ~ 584 nm의 파장 영역 내에서 거의 동일한 강도를 갖습니다.
그림 1은 제안된 편광 빔 스플리터 장치의 구성을 개략적으로 보여주며, 이는 전체 유전체 메타표면을 기반으로 설계되었습니다. 메타표면은 실리카 기판에 배치된 십자형 실리콘 블록의 배열로 구성됩니다. 실리콘의 광학 상수는 Ref[37]에서 가져왔으며 실리카의 굴절률은 1.45입니다. 실리콘 블록 높이 h 260 nm로 설정됨; x를 따라 단위 셀의 기간 - 그리고 y -방향은 픽셀에 최적화되어 있습니다. =200nm 및 파이 =200 nm. 수치 시뮬레이션은 주기적인 경계 조건이 x - 그리고 y -방향과 완벽하게 일치하는 레이어가 z를 따라 사용됩니다. -방향. 평면파는 일반적으로 기판 아래에서 입사합니다. 십자형 실리콘 나노 블록 어레이는 두 개의 수직 실리콘 블록 어레이로 구성된 것으로 볼 수 있습니다. 하나의 배열은 길이 w x를 따라 안테나의 -축이 일정하게 유지되는 동안 길이 Ly y를 따라 - y에서 위상 기울기를 유도하기 위한 축 변경 - 편광된 입사. 반대로, 다른 하나는 x에 대한 위상 기울기를 도입합니다. -길이 Lx를 변경하여 편광 조명 x를 따라 안테나의 -방향 및 길이 유지 w y를 따라 -축 상수.
<그림>
편광 빔 스플리터 역할을 하는 제안된 십자형 메타표면의 개략적인 구성
먼저 y 아래에 위상 기울기 배열을 설계합니다. - 편광된 입사. 그림 2a 및 b에 표시된 것처럼 폭 w을 변경하여 주기적인 실리콘 블록의 전송 및 위상 응답을 계산합니다. 60 ~ 75 nm 및 길이 Ly 583 nm의 파장에서 60에서 200 nm까지. 너비가 w일 때 완전한 2π 위상 적용 범위를 얻을 수 없습니다. 61.5 nm 미만이지만 너비 w에 따라 투과 강도가 감소합니다. 증가합니다. 한편, 공정의 제조를 고려하여 너비 w 기본 단위의 길이는 70 nm로 고정되며 길이 Ly 도 2c에 도시된 바와 같이 완전한 2π 전송 위상 제어를 제공하도록 변화된다. 길이 Ly의 함수로서의 전송 및 위상 응답 파장 583 nm에서 그림 2d에 묘사되어 있습니다. 큰 분할 각도의 경우 0 ~ 2π 위상 범위에 걸쳐 4개의 다른 단위가 선택됩니다. 길이 Ly 네 가지 요소 중 Ly 1 =169nm, Ly 2 =122nm, Ly 3 =103 nm 및 Ly 4 =70 nm, 각각. 일반화된 스넬의 법칙에 따르면 굴절이상각 θ t 공식으로 얻을 수 있습니다.
$$ {n}_{\mathrm{t}}\sin {\theta}_{\mathrm{t}}-{n}_{\mathrm{i}}\sin {\theta}_{\mathrm{ i}}=\frac{\lambda_0}{2\pi}\frac{d\Phi}{dx} $$ (1)여기서 n t 그리고 n 나 투과매질과 입사매질 각각의 굴절률, θ 나 입사각, λ 0 진공에서의 입사 파장, dx 및 dϕ x를 따라 인접한 유닛 사이의 거리와 위상차 -방향. 우리의 경우 dϕ의 값은 y에 대해 − π/2입니다. -편파 입사각은 Ly 길이를 점진적으로 줄여서 달성됩니다. x를 따라 나노 블록의 - 그림 2e에 묘사된 어레이 A와 같은 양의 방향. 편광 분할 기능을 구현하기 위해 위상차 dϕ x에서 π/2로 설정됩니다. - 편광된 입사. 여기서 길이 Lx x를 따라 4개 단위 - 양의 방향은 각각 70 nm, 103 nm, 122 nm 및 169 nm이며 너비는 w입니다. 그림 2e에 표시된 어레이 B와 동일한 값 70 nm를 유지합니다. 마지막으로 위의 두 어레이는 하나의 십자형 어레이로 결합되어 편광 빔 분할 메타표면을 형성하고 어레이 A와 B는 y에 대한 위상 기울기를 나타냅니다. - 및 x -편광된 입사광, 각각.
<사진>
메타표면의 디자인. 아 전송 및 b 너비 w의 함수로서의 위상 응답 및 길이 Ly 583 nm의 파장에서. ㄷ y에 대한 메타표면 1단위 - 편광된 입사. d 길이 Ly의 함수로 폭이 70 nm인 주기적 나노블록의 전송 및 위상 응답 . 이 제안된 편광 빔 스플리터 메타표면(수직 보기)의 설계 절차. 여기에서는 왼쪽에서 오른쪽으로 unit1, unit2, unit3, unit4로 단위를 정렬합니다.
편광 빔 스플리터 역할을 하는 십자형 메타표면의 광학 성능은 3차원 FDTD 방법으로 시뮬레이션됩니다. 우리의 경우 dx의 값은 200 nm, dϕ x의 경우 π/2, −π/2 - 그리고 y -편광 입사각. 식에 따르면 (1) 비정상적인 투과빔은 x 아래에서 46.78°의 각도로 편향됩니다. -파장 583 nm에서 편광 수직 입사. x에서 전송된 전기장 분포 - x-z의 편광 조명 평면은 그림 3a에 묘사되어 있습니다. 파면 프로파일에서 관찰된 회절각 46.78°는 이론적인 결과와 일치합니다. 그림 3b의 시뮬레이션 결과는 x 아래의 원거리장에서 정규화된 강도가 - 편광된 입사. 총 투과 효율은 69.7%, 편향 효율은 63.7%로 주로 계면 반사율(12.5%), 실리콘 흡수(17.8%) 및 기타 회절 차수(6%)에 의해 발생합니다. 여기서 편향 효율은 원하는 회절 차수(x에 대해 + 1, − 1 차수)에서 편향된 빔의 강도로 정의됩니다. - 그리고 y -편광 입사) 총 입사 강도로 정규화됨. 선형 y일 때 -편광된 빛은 수직으로 입사되며, 583 nm의 파장에서 전기장과 정규화된 원거리장 세기 분포는 각각 그림 3c와 d에 나와 있습니다. 편향된 각도는 - 46.78°이고 해당 편향 효율은 66.4%이고 총 전송 효율은 75.2%입니다. 반사는 주로 실리콘의 높은 굴절률과 가장자리에서 후방 산란에 의해 발생할 수 있으며 가시 영역에서 실리콘의 고유 손실은 높은 흡수로 이어집니다. 우리의 경우 흡수 손실을 고려하지 않으면 총 전송 효율은 위의 두 가지 발생에 대해 약 90%를 달성할 수 있으며 이는 Ref [30]의 값과 비슷합니다. 편향된 각도는 Eq.에 따른 많은 매개변수에 따라 달라집니다. (1), 위상 기울기 방향에 따른 주기, 작동 파장 및 기타 매개변수와 같은 매개변수를 조정하여 필요에 맞게 조작할 수 있습니다.
<그림>
x-z의 메타표면 근처의 전기장 분포 a 아래의 비행기 x -극화 및 c 예 - 편광된 입사. b에 대한 정규화된 원거리장 강도 분포 x -극화 및 d 예 -편광된 수직 입사광. 작동 파장은 583 nm이고 투과각은 법선의 오른쪽(왼쪽)에서 양(음) 값으로 정의됩니다.
선형 편파 평면파(E )는 항상 두 개의 직교 구성요소(Ex)로 분해될 수 있습니다. 그리고 이봐 ), x에서 두 개의 독립적인 공명장을 동시에 여기 - 그리고 y -지도. 따라서 선형편광된 평면파가 메타표면에 정상적으로 입사되면 x-로 분해될 수 있다. 그리고 y - x를 따라 반대 위상 기울기를 유도할 수 있는 편광된 것들 -방향. 그림 4a는 제안된 편광 빔 스플리터의 작동 메커니즘 다이어그램을 보여줍니다. 입사 빔은 x로 분할됩니다. - 그리고 y -편광된 것, 대응하는 편향된 각도는 θ 그 및 - θ 그 , 작동 파장에 의해 결정됩니다. 두 전송된 신호의 강도는 입사광의 편광 각도에 의해 결정됩니다. 입사광의 편광이 x에 대해 45° 각도일 때 -축, x - 그리고 y - 그림 4c와 같이 전체 투과장에서 추출한 편극 투과 전계 분포는 이 제안된 장치의 편파 분할 기능을 확인합니다. 작동 파장 583 nm에 대한 정규화된 원거리장 강도 분포는 그림 4b에 나와 있습니다. 두 출력 빔의 강도는 동일한 값 0.336입니다. 총 전송 강도 I 밖 는 0.726이므로 + 1 회절 차수로 편향된 총 출력 광의 효율(x -편광) 및 − 1 차수(y -편극)은 모두 46.3%입니다. 여기에서 0 회절 차수의 강도는 전체 투과율의 7.4%를 차지하며 기하학적 매개변수 또는 모양을 추가로 최적화하여 억제할 수 있습니다. 또한 x - 그리고 y -편광된 투과 광선은 거의 동일한 강도를 가짐(∣I x − 폴 . − 나 와 − 폴 . ∣ /나 x − 폴 . <2%) 579 ~ 584 nm의 파장 범위 내에서 편광 각도가 45°일 때. 다른 파장에서 해당 편향 각도와 투과 강도는 표 1에 나와 있습니다.
<그림>
아 제안된 편광 빔 스플리터 장치의 작동 메커니즘(전면도). ㄴ 정규화된 원거리장 강도. ㄷ 추출된 전송 x -편광(왼쪽) 및 y - 583 nm의 파장에서 45° 편광의 수직 입사 하에서 설계된 메타표면의 편광된(오른쪽) 전기장 분포
위의 설계 과정에서 우리는 이상적으로 x에서의 위상 및 전송 응답을 가정합니다. (예 )- 편광된 입사각은 y의 기간에 영향을 받지 않습니다. (x )-방향. 이를 증명하기 위해 y 기간의 영향을 분석합니다. (x ) - 위상 및 전송 방향 x (예 )편광은 어레이 B(A)의 유닛 1, 2, 3, 4로 구성된 균일한 메타표면에 각각 입사됩니다. 그림 5와 b는 마침표가 Py일 때를 나타냅니다. y에서 -방향은 190에서 210 nm까지 다양하고, 4가지 유형의 메타표면의 위상 변화는 항상 0.05π 미만이며 전송은 x에서 거의 변화가 없습니다. - 편광된 입사. 마침표가 Px일 때도 동일한 현상이 발생합니다. x -방향은 y에서 190에서 210 nm까지 다양합니다. -도 5c 및 d에 도시된 바와 같은 편광 입사. 우리는 x에서 위상 응답 및 전송이 (예 )- 편광 입사는 y의 기간과 거의 독립적입니다. (x )-이 경우 방향. 따라서 우리의 디자인 프로세스는 명확하고 방법은 분명히 간단합니다. Ref [30]에서 선형 x에 대해 두 개의 반대 전송 위상 기울기를 도입하기 위해 -편극 및 y - x를 따라 편광 - x 아래의 두 매개변수로 변화하는 위상 응답을 계산하여 방향, 단위, 너비 및 길이의 기하학적 매개변수를 동시에 선택 그리고 y 선형 편광 입사. 단위의 너비와 길이 선택에 대한 명확한 규칙은 없습니다.
<그림>
y 기간의 함수로서의 위상 응답 및 전송 (x )-방향이 x일 때 (예 )편광은 어레이 B(A)의 유닛 1, 2, 3, 4로 구성된 균일한 메타표면에 각각 입사된다. 아 단계 응답 및 b Py의 기능으로 전송 . ㄷ 단계 응답 및 d PX의 기능으로 전송
요약하면, 우리는 가시 영역의 모든 유전체 메타표면을 기반으로 하는 편광 빔 스플리터를 설계합니다. 메타표면은 실리카 유전체 기판 위에 배치된 십자형 실리콘 나노블록 어레이로 구성됩니다. 입사광이 x에 대해 45° 각도로 편광될 때 -방향, x의 동일한 강도 - 그리고 y -편광된 출력 신호는 작동 파장 583 nm에서 0.336으로 총 전송 강도의 46.3%를 차지합니다. 또한, 제안된 장치는 579 ~ 584 nm의 파장 영역 내에서 45° 편광 입사에 대해 등출력 편광 빔 분할 성능을 나타냅니다. 편광 빔 스플리터는 향후 전광학 집적 소자에 더욱 적용될 수 있을 것으로 기대합니다.
x를 따라 인접한 유닛 사이의 거리 -방향
x를 따라 인접한 유닛 간의 위상차 -방향
유한 차분 시간 영역
총 전송 강도
x의 강도 -편광 투과빔
y의 강도 -편광 투과빔
다중 모드 간섭
사고 매질의 굴절률
전송된 매체의 굴절률
질화규소
실리카
이산화티타늄
입사각
비정상적인 굴절 각도
진공에서의 입사 파장
나노물질
초록 우리는 기화된 Cyclopentadienyl Tris(dimethylamino) Zirconium (CpZr(NMe2 )3 ) 원하지 않는 전구체의 열분해 생성물이 공정 신뢰성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 다양한 온도에서 공정 챔버로 이동하는 동안. FT-IR 데이터는 –CH3 –CH2 동안 피크 강도는 감소합니다. – 그리고 C=N 피크 강도는 온도가 100에서 250 °C로 증가함에 따라 증가합니다. 이 결과는 디메틸아미도 리간드의 분해에 기인한다. FT-IR 데이터를 기반으로 새로운 분해 생성물이 250 °C에서 형성
초록 이 논문에서 우리는 광학 주파수에서 오른쪽 및 왼쪽 원형 편광(RCP, + 및 LCP, -) 빛에 대해 높은 선택 흡수를 달성할 수 있는 플라즈몬 키랄 메타표면 흡수체(CMSA)를 제시합니다. CMSA는 이중층 4중 꼬인 반원 금속 나노구조로 샌드위치된 유전체 기판으로 구성됩니다. 제안된 CMSA는 LCP 및 RCP 광에 대한 흡수 피크가 서로 다른 공진 주파수에서 발생하는 강력한 선택적 흡수 대역을 가지며 이는 상당한 원형 이색성(CD) 효과의 존재를 반영합니다. CMSA의 흡광도는 LCP 광의 경우 93.2%, RCP 광
