超高效硅超表面实现电信波段偏振分束与涡旋光生成

摘要

本研究提出一种高阶介质超表面，由硅纳米砖阵列构成。通过精确调控砖的长宽，器件为X线性偏振（XLP）和Y线性偏振（YLP）光提供两组不同的增量透射相位，透射效率持续超88%。利用此能力，成功设计两个工作在高阶衍射模式的偏振分束器，均展现高透射效率。此外制备了两个高阶衍射模式的涡旋光发生器，产生拓扑电荷为2和3的涡旋光束。介质超表面在高阶衍射模式下的应用为超高效光学器件铺平道路。

背景

电磁学近期进展聚焦光波全控制，超材料因其工程化光学响应成为关键领域[1]。这些人工结构实现了负折射、零折射、慢光等现象[2-4]。但传统三维超材料因本征损耗和复杂制造限制实际部署。二维超材料即超表面，通过超薄亚波长结构缓解这些缺点，易制造集成[5-7]。超表面利用亚波长谐振器操控入射光振幅或相位，实现可调波导、波片、透镜、异常折射、涡旋发生器、全息图等[8-19]。虽超表面效率优于3D对应物，但损耗仍是顾虑，尤其涉及金属组分时。为克服此问题，提出了Huygens超表面和全介质超表面。Huygens设计减少损耗但因3D性质仍面临制造挑战[20]。全介质超表面通过在同一频率重叠电磁谐振，实现全2π相位控制且具高透射效率[21-27]。然而，多数演示器件工作在一阶或二阶衍射级次；高阶衍射模式鲜有探索，主要因金属损耗导致效率低[28-32]。本工作展示一种全介质超表面，能在高阶衍射模式下操控波前同时保持透射效率>88%。基于此平台，设计两个偏振分束器将正交偏振高效分离至不同方向，以及两个产生拓扑电荷2和3的涡旋光发生器，展示高阶衍射控制的多功能性。

方法

超表面设计见图1a。由900 nm厚晶体硅纳米砖构成，位于200 nm厚SiO₂衬底上（折射率分别3.48和1.48）。硅的高折射率赋予强共振且欧姆损耗极小，成熟半导体工艺（电子束光刻EBL、聚焦离子束FIB）可实现制备。SiO₂衬底选用以抑制目标电信波长1500 nm处的反射和吸收。晶格常数S=650 nm。透射相位控制由纳米砖X、Y轴尺寸决定。有限时域差分法（FDTD）数值模拟，上下完美匹配层（PML），侧向周期性边界条件（PBC）。工作波长1500 nm。图1a-d展示XLP和YLP光的同偏振透射效率和相位随纳米砖尺寸（a=宽，b=长）的变化。模拟显示绝大多数几何构型下同偏振透射超88%，相位可调谐覆盖0-2π。结构对称性保证两种偏振性能相似，通过分别调整a和b实现XLP和YLP光的独立相位控制。

结果与讨论

偏振分束器设计

片上偏振控制对集成光子学至关重要。我们提出的偏振分束器（PBS）利用XLP和YLP光的不同相位响应，实现高效分离为两个空间不同光束。

每个PBS由13个纳米砖组成超单元。将XLP光相位在0-2π、YLP光在2π-0离散化，步长±2π/13，实现高阶相位梯度。13个砖的侧向尺寸见图2a。重排这些砖可得更高阶衍射模式：三阶模式（M₃）跨越0-3×2π，五阶模式（M₅）跨越0-5×2π。这种简单重排按衍射级次成比例扩展相位覆盖。

45°线偏振照射下的PBS模拟确认设计。提取的XLP和YLP场（图3a）显示清晰波前，峰值衍射角分别为-10.2°（XLP）和+10.2°（YLP）。对应同偏振效率为85.9%（XLP）和88.4%（YLP）。衍射角符合广义斯涅尔定律预测（±10.22°），验证高阶波导向能力，确认几乎所有入射光透射且反射极小。

高阶PBS理论衍射角：M₃为±32.18°，M₅为±62.56°。图4a-d展示清晰相位波前并确认这些角度。同偏振效率适度下降至82-84%（三阶）和73.5-78.4%（五阶），主要因不同几何砖间耦合。尽管如此，超表面在所有高阶模式下仍保持高透射。

光学涡旋发生器设计

光学涡旋光束具有螺旋相位波前和轨道角动量lℏ，应用于光刻、光镊、通信[37-44]。生成涡旋光束时，将M₁的13个砖排布为13个方位扇区，圆周上形成2π/13的连续相位阶梯。图6a显示生成的l=1涡旋强度分布，中心暗点且相位从-π到π跳变2π。

为获得更高拓扑电荷，将相邻砖相位阶梯改为4π/13（l=2）和6π/13（l=3），得M₂和M₃。结果强度分布（图6b,c）和相位图（图6e,f）分别呈现两个和三个清晰的2π相位跳变。将入射偏振从XLP切换为YLP可反转螺旋方向而保持强度图案不变，归因于对称相位响应。这表明通过简单重构砖即可生成任意阶涡旋。

结论

我们设计了由周期性硅纳米砖组成的介质超表面，在电信波长1500 nm下提供全0-2π相位覆盖，透射效率超88%。利用这些特性，实现了高阶偏振分束器，高效将正交偏振分离至不同方向；以及高阶衍射模式下产生拓扑电荷高达3的光学涡旋发生器。设计简洁——仅修改砖尺寸和排布——便于快速制备，为新型超高效光子器件铺平道路。