Demostración de la generación de haz de igual intensidad por Metasurfaces dieléctricos
Summary
Se presenta un protocolo para la fabricación y caracterización óptica de metasuperficies dieléctricas. Este método se puede aplicar a la fabricación no sólo de divisores de haz, sino también de metasuperficies dieléctricas generales, como lentes, hologramas y capas ópticas.
Abstract
Se demuestra el protocolo de fabricación y caracterización para un divisor de haz de metasuperficie, que permite la generación de haces de igual intensidad. El silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H) se deposita en el sustrato de sílice fusionada, utilizando la deposición de vapor químico mejorada por plasma (PECVD). El silicio amorfo típico depositado por evaporación causa una pérdida óptica grave, lo que afecta la operación a frecuencias visibles. Los átomos de hidrógeno dentro de la película delgada de silicio amorfo pueden reducir los defectos estructurales, mejorando la pérdida óptica. Se requieren nanoestructuras de unos pocos cientos de nanómetros para el funcionamiento de metasuperficies en las frecuencias visibles. La fotolitografía convencional o la escritura directa con láser no es factible cuando se fabrican estructuras tan pequeñas, debido al límite de difracción. Por lo tanto, la litografía de haz de electrones (EBL) se utiliza para definir una máscara de cromo (Cr) en la película delgada. Durante este proceso, la resistencia expuesta se desarrolla a una temperatura fría para ralentizar la reacción química y hacer que los bordes del patrón sean más nítidos. Finalmente, a-Si:H se graba a lo largo de la máscara, utilizando grabado de iones reactivos plasma acopladoinamente (ICP-RIE). El método demostrado no es factible para la fabricación a gran escala debido al bajo rendimiento de EBL, pero se puede mejorar combinándolo con litografía de nanoimpresión. El dispositivo fabricado se caracteriza por una configuración óptica personalizada que consiste en un láser, polarizador, lente, medidor de potencia y dispositivo acoplado a la carga (CCD). Al cambiar la longitud de onda del láser y la polarización, se miden las propiedades de difracción. Las potencias de haz difractadas medidas son siempre iguales, independientemente de la polarización incidente, así como la longitud de onda.
Introduction
Metasurfaces que consisten en matrices de antenas bidimensionales de sublongitud han demostrado muchas funcionalidades ópticas prometedoras, tales como lentes acromáticas1,2, hologramas3,4,5 ,6, y capas ópticas7. Los componentes ópticos voluminosos convencionales se pueden reemplazar con metasuperficies ultrafinas mientras se mantienen las funcionalidades originales. Por ejemplo, un divisor de haz es un dispositivo óptico que se utiliza para separar un haz incidente en dos haces. Los divisores de haz típicos se hacen combinando dos prismas triangulares. Puesto que sus características de interfaz determinan las propiedades de división de haz, es difícil reducir el tamaño físico sin degradación funcional. Por otro lado, los divisores de haz ultrafino se pueden realizar con metasuperficies codificadas con un gradiente de fase lineal unidimensional8,9. El grosor de las metasuperficies es menor que sus longitudes de onda de trabajo, y las propiedades de separación se pueden controlar mediante la distribución de fase.
Diseñamos un divisor de haz de metasuperficie que puede generar haces de igual intensidad independientemente de los estados de polarización incidente10. Esta característica proviene de un holograma de Fourier. Debido a la imagen de dos manchas blancas sobre un fondo negro, el holograma generado desde el metasuperficie es el mismo que la imagen codificada. El holograma de Fourier no tiene una distancia focal específica, por lo que la imagen codificada se puede observar en todo el espacio detrás del metasuperficie11. Si la misma imagen de dos puntos se genera detrás del metasuperficie, también funciona como un divisor de vigas. El holograma de Fourier por el metasuperficie crea una imagen invertida, que se llama una imagen gemela, con respecto a los estados de polarización ortogonal. La imagen gemela se considera típicamente como ruido. Sin embargo, la imagen de dos puntos codificada en esta metasuperficie es de origen-simétrica, lo que resulta en una superposición perfecta de las imágenes originales y gemelas. Puesto que cualquier estado de polarización puede ser representado por una combinación lineal de polarizaciones circulares de mano derecha (RCP) y zurdas (LCP), el dispositivo descrito aquí muestra la funcionalidad independiente de polarización.
Aquí, presentamos un protocolo para la fabricación y caracterización óptica de metasuperficies dieléctricas que permite la generación de haces de igual intensidad. La distribución de fase de este dispositivo se recupera del algoritmo Gerchberg-Saxton (GS), que generalmente se utiliza para hologramas de fase12. a-Si:H de 300 nm de espesor se deposita en el sustrato de sílice fusionada, utilizando PECVD. Una máscara Cr se define en la película a-Si:H, utilizando EBL. El patrón de máscara corresponde a la distribución de fase derivada del algoritmo GS. ICP-RIE es explotado para grabar la película a-Si:H a lo largo de la máscara Cr. El resto de la máscara Cr es eliminada por Cr etchant finalizando la fabricación de la muestra. La funcionalidad óptica del metasuperficie fabricada se caracteriza por una configuración óptica personalizada. Cuando un rayo láser es incidente en el metasuperficie, el haz transmitido se separa en tres partes, a saber, dos haces difractados y un haz de orden cero. Las vigas difractadas se desvían de una extensión de la trayectoria del haz incidente, mientras que la viga de orden cero la sigue. Para verificar la funcionalidad de este dispositivo, medimos la potencia del haz, el perfil del haz y el ángulo difractado utilizando un medidor de potencia, CCD y transportador, respectivamente.
Todos los procesos de fabricación y materiales utilizados están optimizados para la funcionalidad de destino. Para las frecuencias de trabajo visibles, los tamaños de antena individuales deben ser de unos pocos cientos de nanómetros, y el material en sí debe tener una baja pérdida óptica en longitudes de onda visibles. Sólo unos pocos tipos de métodos de fabricación son aplicables al definir estructuras tan pequeñas. La fotolitografía típica, así como la escritura láser directa, son incapaces de fabricar debido al límite de difracción. Se puede utilizar el fresado de vigas iónides enfocados, pero hay problemas críticos de contaminación del galio, dependencia del diseño del patrón y velocidad de proceso lenta. Prácticamente, EBL es la única manera de facilitar la fabricación de metasuperficies trabajando a frecuencias visibles13.
Los dieléctricos son generalmente preferidos debido a la pérdida ohmica inevitable de los metales. La pérdida óptica de a-Si:H es lo suficientemente baja para nuestro propósito. Aunque la pérdida óptica de a-Si:H no es tan baja como los dieléctricos de baja pérdida como el dióxido de titanio1,4 y el silicio cristalino14,la fabricación de a-Si:H es mucho más simple. Los procesos típicos de evaporación y sputtering no son capaces de la deposición de una película a-Si:H. Por lo general, se requiere PECVD. Durante el proceso PECVD, algunos átomos de hidrógeno de los gases SiH4 y H2 quedan atrapados entre los átomos de silicio, lo que resulta en una película a-Si:H. Hay dos maneras de definir patrones a-Si:H. Una es la deposición de a-Si:H en un fotorresistente estampado, seguido por el proceso de despegue, y la otra es definiendo una máscara de grabado en la película a-Si:H, seguida por el proceso de grabado. El primero es adecuado para los procesos de evaporación, pero no es fácil depositar película a-Si:H utilizando evaporación. Por lo tanto, esta última es la forma óptima de hacer patrones a-Si:H. Cr se utiliza como el material de la máscara de grabado debido a su alta selectividad de grabado con silicio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Algunos pasos de fabricación deben llevarse a cabo cuidadosamente, para generar un metasuperficie que sea el mismo que el diseño original. En el proceso de desarrollo de resistencia, generalmente se prefiere una solución a baja temperatura. La condición estándar es la temperatura ambiente, pero la velocidad de reacción se puede reducir disminuyendo la temperatura de la solución a 0 oC. Aunque el tiempo de reacción correspondiente se hace más largo, se puede obtener un patrón más fino que con las condiciones es…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo cuenta con el apoyo financiero de las subvenciones de la Fundación Nacional de Investigación (NRF-2019R1A2C3003129, CAMM-2019M3A6B3030637, NRF-2018M3D1A1058998, NRF-2015R1A5A1037668) financiado por el Ministerio de Ciencia y TIC (MSIT), República de Corea.
Materials
| Plasma enhanced chemical vapor deposition | BMR Technology | HiDep-SC | |
| Electron beam lithography | Elionix | ELS-7800 | |
| E-beam evaporation system | Korea Vacuum Tech | KVE-E4000 | |
| Inductively-coupled plasma reactive ion etching | DMS | – | |
| Ultrasonic cleaner | Honda | W-113 | |
| E-beam resist | MICROCHEM | 495 PMMA A2 | |
| Resist developer | MICROCHEM | MIBK:IPA=1:3 | |
| Conducting polymer | Showa denko | E-spacer | |
| Chromium etchant | KMG | CR-7 | |
| Acetone | J.T. Baker | 925402 | |
| 2-propanol | J.T. Baker | 909502 | |
| Chromium evaporation source | Kurt J. Lesker | EVMCR35D | |
| Collimated laser diode module | Thorlabs | CPS-635 | wavelength: 635 nm |
| ND:YAG laser | GAM laser | GAM-2000 | wavelength: 532 nm |
| power meter | Thorlabs | S120VC | |
| CCD Camera | INFINITY | infinity2-2M | |
| ND filter | Thorlabs | NCD-50C-4-A | |
| Linear polarizer | Thorlabs | LPVISA100-MP2 | |
| Lens | Thorlabs | LB1676 | |
| Iris | Thorlabs | ID25 | |
| Circular polarizer | Edmund optics | 88-096 | |
| sample holder | Thorlabs | XYFM1 | |
| PECVD software | BMR Technology | HIDEP |
References
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