[論文レビュー] All-Dielectric Silicon/Phase-Change Optical Metasurfaces with Independent and Reconfigurable Control of Resonant Modes

Carlota Ruíz de Galarreta, Ivan Sinev+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 35被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、高屈折率のSiナノシリンダー内に深くサブ波長スケールの chalcogenide 相変化材料を埋め込むことで、O帯およびC帯光通信帯域において複数の共鳴モードを独立的かつ再構成可能に制御できる、新規な全ダイエレクトリックシリコン／相変化メタサーフェスを提案する。埋め込まれた材料の相を切り替えることで、O帯およびC帯にわたり、活性的かつ選択的かつ共鳴周波数を調整可能にし、再構成可能なスペクトル応答を示す二重帯域から単一帯域へのメタスイッチを実現した。

ABSTRACT

All-dielectric metasurfaces consisting of arrays of nanostructured high-refractive-index materials, typically Si, are re-writing what is achievable in terms of the manipulation of light. Such devices support very strong magnetic, as well as electric, resonances, and are free of ohmic losses that severely limit the performance of their plasmonic counterparts. However, the functionality of dielectric-based metasurfaces is fixed-by-design, i.e. the optical response is fixed by the size, arrangement and index of the nanoresonators. A far wider range of applications could be addressed if active/reconfigurable control were possible. We demonstrate this here, via a new hybrid metasurface concept in which active control is achieved by embedding deeply sub-wavelength inclusions of a tuneable chalcogenide phase-change material within the body of high-index Si nanocylinders. Moreover, by strategic placement of the phase-change layer, and switching of its phase-state, we show selective and active control of metasuface resonances. This yields novel functionality, which we showcase via a dual- to mono-band meta-switch operating simultaneously in the O and C telecommunication bands.

研究の動機と目的

• 従来のダイエレクトリックメタサーフェスが有する固定応答の制限を克服し、光学的共鳴をアクティブかつ再構成可能に制御すること。
• 高屈折率Siナノシリンダー内に相変化材料を統合したハイブリッドメタサーフェスアーキテクチャを構築し、可変な光学的応答を実現すること。
• 空間的に設計された相変化インクルージョンを用いて、複数の共鳴モードを独立して制御すること。
• 統合光子回路用途に向け、O帯およびC帯光通信帯域で実用的な再構成可能性を実証すること。

提案手法

• 高屈折率シリコンナノシリンダー内に深くサブ波長スケールの chalcogenide 相変化材料インクルージョンを埋め込み、ハイブリッド共鳴器を構築する。
• 特定の位置に相変化インクルージョンを戦略的に配置することで、特定の共鳴モードを効果的に励起または抑制する。
• chalcogenide材料のアモルファス状態と結晶状態の相転移を活用し、有効屈折率を動的に変化させることで、共鳴周波数を制御する。
• 電気的および磁気的デュポール共鳴を同時に支持するメタサーフェスの幾何形状を設計し、強い電場閉じ込めと高いQファクターを実現する。
• フル波動電磁界シミュレーションおよび有限差分時間法（FDTD）を用いて、共鳴応答を最適化および検証する。
• 相の切り替え条件下で、O帯（1260–1360 nm）およびC帯（1530–1565 nm）におけるスペクトル応答測定を通じて再構成可能性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相変化材料を全ダイエレクトリックメタサーフェスに統合することで、共鳴モードのアクティブかつ再構成可能な制御が可能になるか？
• RQ2 相変化インクルージョンの空間的配置によって、異なる共鳴モードを選択的に調整可能になるか？
• RQ3 O帯およびC帯光通信帯域で複数の共鳴を独立して制御可能になるか？
• RQ4 メタサーフェスが二重帯域と単一帯域の異なるスペクトル応答を示す再構成可能なメタスイッチとして機能するか？

主な発見

• 埋め込まれた chalcogenide インクルージョンの相をアモルファス状態と結晶状態の間で切り替えることで、複数の共鳴モードを独立的かつ再構成可能に制御できる。
• 相変化領域の戦略的配置により、共鳴の選択的調整が可能であり、クロストークなしにモード固有の制御が実現された。
• 二重帯域から単一帯域へのメタスイッチが実現され、O帯およびC帯光通信帯域で二重帯域および単一帯域動作を切り替え可能となった。
• 全ダイエレクトリック構造による低いオーム損失のおかげで、強い共鳴応答と高いQファクターを示した。
• O帯（1260–1360 nm）およびC帯（1530–1565 nm）において、相転移に伴い明確な共鳴エネルギーのシフトが観測された。
• 再構成可能性は、シミュレーションに基づくスペクトル応答解析を通じて実験的に検証され、明確で切り替え可能な共鳴プロファイルが得られた。