全介质超表面实现高效可见光偏振分束器

摘要

本文提出一种全介质梯度超表面，由熔融石英衬底上周期性排列的交叉状硅纳米块组成，在可见光谱段充当偏振分束器。通过为线性x-和y-偏振光沿x方向设计两个相反的透射相位梯度，超表面将两个正交偏振分导至入射光两侧对称角度（x-z平面内）。对45°入射偏振，透射x-和y-偏振分量在579–584 nm波段呈近乎相等强度。该器件为需要高效偏振分束的自由空间光学系统提供紧凑、超薄解决方案。

引言

超表面——亚波长纳米天线二维阵列——已成为以超薄轮廓操控光相位、振幅、偏振的强大平台。相比体积光学，超表面实现紧凑、低损耗、易制造器件。已实现偏振转换、全息、平透镜、光谱分束器等。

金属超表面最初通过两个π相位共振或几何相位实现光束偏转，但本征吸收限制透射效率。全介质超表面（主要基于硅）规避这些损耗，提供多条实现全2π相位控制路径：几何相位、重叠米氏共振（惠更斯超表面）、高长宽比天线法布里-珀罗共振。本工作采用后者，将每个硅块视为截断波导，其有效折射率决定透射相位。

偏振分束器（PBS）在许多光学架构中至关重要。现有PBS设计采用亚波长光栅、混合等离子体耦合器、多模干涉结构。本文提出基于交叉状硅阵列的简单、大角度PBS，对45°入射偏振实现等功率分束，在可见光波段高效工作。

方法

图1展示超表面布局：高度260 nm交叉状硅块方阵列置于折射率1.45石英衬底上。晶格常数P_x=P_y=200 nm。三维FDTD仿真（x、y向周期性边界，z向完美匹配层）模拟自下而上的正入射平面波。

每个交叉块等效于两正交硅条：一条固定宽度w（70 nm）且沿入射偏振轴长度可变。对y偏振入射，长度L_y（60–200 nm）调谐透射相位同时保持w不变。同理，x偏振入射下变化L_x。四个离散单元（见图2）跨越0–2π相位范围，相邻单元相位阶跃±π/2，为两偏振创建相反相位梯度。

广义斯涅尔定律：

(n_t sinθ_t - n_i sinθ_i)/λ₀ = (1/2π) dΦ/dx

由相位梯度dΦ/dx决定异常折射角。y偏振光dΦ=-π/2；x偏振光dΦ=+π/2。在583 nm产生46.8°偏转。

结果与讨论

仿真证实两偏振均得46.78°预测偏转角。图3a显示x偏振入射下x-z平面电场分布，符合理论角度。远场强度（图3b）给出总透射率69.7%、偏转效率63.7%——主要受限于12.5%界面反射、17.8%硅吸收、6%非期望衍射级次。

y偏振入射下偏转角-46.78°，偏转效率66.4%，总透射75.2%。忽略硅吸收效率可逼近90%——与先前硅超表面PBS设计相当。

45°线性偏振平面波照射超表面时，器件同时激发两正交共振，产生等强度x-和y-偏振输出。图4c显示提取电场；图4b远场强度各为入射功率0.336。因此总透射能量46.3%汇聚至两偏振的+1和-1衍射级，0级仅占7.4%。跨579–584 nm两输出强度差<2%，确认宽带等功率分束。

正交方向晶格常数变化（190–210 nm）考察周期性效应。相位和透射变化可忽略（<0.05π），确认设计免受交叉耦合影响，简化制造。

结论

设计一种全介质交叉状硅超表面，在可见光波段充当高效偏振分束器。器件在583 nm将45°偏振光分裂为等功率x-和y-分量，偏转角46.8°，偏转效率63–66%。其紧凑超薄占地面积和宽带等功率性能使其极具吸引力，可集成进下一代全光子光电电路。