Démonstration de la génération de faisceaus à intensité égale par Dielectric Metasurfaces

Summary

Un protocole pour la fabrication et la caractérisation optique des métasurfaces diélectriques est présenté. Cette méthode peut être appliquée à la fabrication non seulement de séparateurs de faisceau, mais aussi de métasurfaces diélectriques générales, telles que des lentilles, des hologrammes et des manteaux optiques.

Abstract

Le protocole de fabrication et de caractérisation d’un séparateur de faisceau de métasurface, permettant la génération de faisceaus d’intensité égale, est démontré. Le silicium amorphe hydrogéné (a-Si:H) est déposé sur le substrat de silice fusionné, à l’aide d’un dépôt de vapeur chimique amélioré par plasma (PECVD). Le silicium amorphe typique déposé par évaporation provoque une perte optique grave, empiéchant le fonctionnement à des fréquences visibles. Les atomes d’hydrogène à l’intérieur du film mince en silicium amorphe peuvent réduire les défauts structurels, améliorant ainsi la perte optique. Des nanostructures de quelques centaines de nanomètres sont nécessaires pour le fonctionnement des métasurfaces dans les fréquences visibles. La photolithographie conventionnelle ou l’écriture laser directe n’est pas faisable lors de la fabrication de ces petites structures, en raison de la limite de diffraction. Par conséquent, la lithographie par faisceau d’électrons (EBL) est utilisée pour définir un masque de chrome (Cr) sur le film mince. Au cours de ce processus, la résistance exposée est développée à une température froide pour ralentir la réaction chimique et rendre les bords de modèle plus nettes. Enfin, a-Si:H est gravé le long du masque, à l’aide de gravures ioniques inductives couplées plasmarée (ICP-RIE). La méthode démontrée n’est pas faisable pour la fabrication à grande échelle en raison du faible débit de l’EBL, mais elle peut être améliorée en la combinant avec la lithographie nanoimprimée. L’appareil fabriqué est caractérisé par une configuration optique personnalisée composée d’un laser, polariseur, lentille, compteur de puissance, et dispositif couplé de charge (CCD). En modifiant la longueur d’onde laser et la polarisation, les propriétés de diffraction sont mesurées. Les puissances de faisceau diffracted mesurées sont toujours égales, indépendamment de la polarisation d’incident, aussi bien que la longueur d’onde.

Introduction

Les métasurfaces composées de réseaux d’antennes sous-ondes bidimensionnelles ont démontré de nombreuses fonctionnalités optiques prometteuses, telles que les lentilles achromatiques^1,2 ,^{hologrammes3,4,5 ,6}, et les manteaux optiques⁷. Les composants optiques encombrants conventionnels peuvent être remplacés par des métasurfaces ultraminces tout en conservant les fonctionnalités d’origine. Par exemple, un séparateur de faisceau est un dispositif optique utilisé pour séparer un faisceau incident en deux faisceaux. Les séparateurs de faisceau typiques sont faits en combinant deux prismes triangulaires. Étant donné que leurs caractéristiques d’interface déterminent les propriétés de fractionnement du faisceau, il est difficile de réduire la taille physique sans dégradation fonctionnelle. D’autre part, les séparateurs de faisceau ultraminces peuvent être réalisés avec des métasurfaces codées avec un gradient linéaire unidimensionnel de phase^8,9. L’épaisseur des métasurfaces est inférieure à leurs longueurs d’onde de travail, et les propriétés de séparation peuvent être contrôlées par la distribution de phase.

Nous avons conçu un séparateur de faisceau de métasurface qui peut générer des faisceaux d’intensité égale indépendamment des états de polarisation d’incident¹⁰. Cette caractéristique provient d’un hologramme Fourier. En raison de l’image de deux taches blanches sur un fond noir, l’hologramme généré à partir de la métasurface est le même que l’image codée. L’hologramme Fourier n’a pas de longueur focale spécifique, de sorte que l’image codée peut être observée dans tout l’espace derrière la métasurface¹¹. Si la même image à deux points est générée derrière la métasurface, elle fonctionne également comme un séparateur de faisceau. L’hologramme fourier par la métasurface crée une image inversée, qui est appelée une image jumelle, en ce qui concerne les états de polarisation orthogonale. L’image jumelle est généralement considérée comme du bruit. Cependant, l’image à deux points codée dans cette métasurface est d’origine symétrique, résultant en un chevauchement parfait des images originales et jumelles. Étant donné que les états de polarisation peuvent être représentés par une combinaison linéaire de polarisations circulaires droitier (RCP) et gaucher (LCP), l’appareil décrit ici montre la fonctionnalité indépendante de polarisation.

Ici, nous présentons un protocole pour la fabrication et la caractérisation optique des métasurfaces diélectriques permettant la génération de faisceaus à intensité égale. La distribution en phase de cet appareil est récupérée à partir de l’algorithme Gerchberg-Saxton (GS), qui est généralement utilisé pour les hologrammes de phase seulement¹². a-Si:H de 300 nm d’épaisseur est déposé sur le substrat de silice fusionné, à l’aide de PECVD. Un masque Cr est défini sur le film a-Si:H, à l’aide d’EBL. Le motif du masque correspond à la distribution de phase dérivée de l’algorithme GS. ICP-RIE est exploité pour écroquer le film a-Si:H le long du masque Cr. Le reste du masque Cr est enlevé par Cr etchant finalisant la fabrication de l’échantillon. La fonctionnalité optique de la métasurface fabriquée est caractérisée à l’aide d’une configuration optique personnalisée. Lorsqu’un faisceau laser est incident à la métasurface, le faisceau transmis est séparé en trois parties, à savoir deux faisceaux diffractés et un faisceau d’ordre zéro. Les faisceaux diffractés s’écartent d’une extension de la trajectoire du faisceau incident tandis que le faisceau de l’ordre zéro le suit. Pour vérifier la fonctionnalité de cet appareil, nous avons mesuré la puissance du faisceau, le profil du faisceau et l’angle diffracté à l’aide d’un compteur de puissance, ccD et protracteur, respectivement.

Tous les procédés de fabrication et les matériaux utilisés sont optimisés pour la fonctionnalité cible. Pour les fréquences de travail visibles, les tailles d’antennes individuelles devraient être de quelques centaines de nanomètres, et le matériau lui-même devrait avoir une faible perte optique à des longueurs d’onde visibles. Seuls quelques types de méthodes de fabrication sont applicables lors de la définition de ces petites structures. La photolithographie typique, ainsi que l’écriture laser directe, sont incapables de la fabrication en raison de la limite de diffraction. Le broyage focalisé de faisceau d’ion peut être employé, mais il y a des issues critiques de la contamination de gallium, de la dépendance de conception de modèle, et de la vitesse lente de processus. Pratiquement, EBL est le seul moyen de faciliter la fabrication de métasurfaces fonctionnant à des fréquences visibles¹³.

Dielectrics sont généralement préférés en raison de la perte ohmic inévitable de métaux. La perte optique de a-Si:H est assez faible pour notre but. Bien que la perte optique de a-Si:H n’est pas aussi faible que les diélectriques à faible perte tels que le dioxyde de titane^1,4 et le silicium cristallin¹⁴, la fabrication d’un-Si:H est beaucoup plus simple. Les processus typiques d’évaporation et de pulvérisation ne sont pas capables de déposer un film a-Si:H. PECVD est généralement nécessaire. Pendant le processus PECVD, certains atomes d’hydrogène des gaz SiH₄ et H₂ sont piégés parmi les atomes de silicium, ce qui donne un film a-Si:H. Il y a deux façons de définir les modèles a-Si:H. L’un est la déposition d’un-Si:H sur un photoresist à motifs, suivie par le processus de décollage, et l’autre est en définissant un masque de gravure sur le film a-Si:H, suivie par le processus de gravure. Le premier est bien adapté aux processus d’évaporation, mais il n’est pas facile de déposer un film a-Si:H à l’aide de l’évaporation. Par conséquent, ce dernier est le moyen optimal de faire des modèles a-Si:H. Cr est utilisé comme matériau de masque de gravure en raison de sa sélectivité de gravure élevée avec du silicium.

Protocol

1. Fabrication de la métasurface diélectrique Prénettoyage d’un substrat de silice fusionné Préparer un substrat de silice poli à double face (longueur : 2 cm; largeur : 2 cm; épaisseur : 500 m). Immerger le substrat de silice fusionné dans 50 ml d’acétone et effectuer le processus de sonication pendant 5 min à 40 kHz. Immerger le substrat dans 50 ml de 2-propanol (IPA) et effectuer le processus de sonication pendant 5 min à 40 kHz. Rincer l…

Representative Results

Les résultats de la mesure montrent la fonctionnalité indépendante de polarisation de l’appareil présentée ici (figure 1). Les puissances de faisceau mesurées des ordres de diffraction de m à 1 sont égales indépendamment de l’état de polarisation incident (c.-à-d., RCP, LCP, et polarisation linéaire). Étant donné que les états de polarisation arbitraire peuvent être décomposés par la combinaison linéaire de RCP et LCP, la fonctionnalité de l’appareil peut être maintenue,…

Discussion

Certaines étapes de fabrication doivent être effectuées avec soin, pour générer une métasurface qui est la même que la conception originale. Dans le processus de développement de résistance, une solution à basse température est généralement préférée. L’état standard est la température ambiante, mais la vitesse de réaction peut être ralentie en diminuant la température de la solution à 0 oC. Bien que le temps de réaction correspondant s’allonge, un modèle plus fin peut être obtenu qu’avec des cond…

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