[論文レビュー] Electro-Optically Tunable Universal Metasurfaces

Ghazaleh Kafaie Shirmanesh, Ruzan Sokhoyan+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2019

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 38被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、1つのデバイスで通信帯において普遍的な光学制御を達成する、電気光学的に可変で再構成可能なメタサーフェスを提示する。同一のサブ波長アンテナ素子からの散乱光の位相を電気的に変調することで、可動部が不要な状態で、ビームスティアリングと再構成可能なフォーカスを動的に実現する。これは電子メモリに類似したプログラマブルな波面形状制御を実証するものである。

ABSTRACT

Molding the flow of light at the nanoscale has been a grand challenge of nanophotonics for decades. It is now widely recognized that metasurfaces represent a chip-scale nanophotonics array technology capable of comprehensively controlling the wavefront of light via appropriately configuring subwavelength antenna elements. Here, we demonstrate a reconfigurable metasurface that is universal, i.e., notionally capable of providing diverse optical functions in the telecommunication wavelength regime, using a compact, lightweight, electronically-controlled array with no moving parts. By electro-optical control of the phase of the scattered light from identical individual metasurface elements, we demonstrate a single prototype universal programmable metasurface that is capable of both dynamic beam steering and reconfigurable light focusing using one single device. Reconfigurable universal metasurfaces with arrays of tunable optical antennas thus can perform arbitrary optical functions by programmable array-level control of scattered light phase, amplitude, and polarization, similar to dynamic and programmable memories in electronics.

研究の動機と目的

• 要求に応じて多様な光学機能を実行可能な再構成可能なメタサーフェスの開発を目的とする。
• 複数の固定機能メタサーフェスの必要性を排除し、1つのデバイスで普遍的機能を実現することを目的とする。
• 機械的部品や可動部を用いずに、電子的制御によって光学的波面を制御することを目的とする。
• サブ波長アンテナにおける電気光学効果を活用して、散乱光の位相を動的に変調することを目的とする。
• 1つのチューナブルなアレイを用いて、光の振幅、位相、偏光をプログラマブルに制御することを目的とする。

提案手法

• メタサーフェスは、透明で電気光学的活性を示す基板上に同一のサブ波長アンテナ素子を形成する。
• 位相変調は、基板材料内の屈折率の電圧制御による変化により実現され、有効な光路長が変化する。
• システムは、メタサーフェス素子全体に可変電場を印加するためのコンactな統合電極アレイを用いる。
• 波面形状は、個々の素子の位相応答をプログラマブルに制御することで実現する。
• アレイレベルのプログラミングにより、散乱光の位相、振幅、偏光の同時制御が可能である。
• 各アンテナ回りの誘電環境の有効屈折率をチューニングするために、電気光学効果を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのメタサーフェスが、ビームスティアリングやフォーカスなど、複数の異なる光学機能を再構成可能に実行できるか？
• RQ2 ナノスケールプラットフォーム上で、可動部を用いずに、散乱光の位相制御をどのように電子的に行えるか？
• RQ3 プログラマブルな位相変調を通じて、普遍的メタサーフェスが、複数の固定機能メタサーフェスの機能をどの程度模倣できるか？
• RQ4 メタサーフェスアレイ内における電気光学的位相シフトャーの帯域幅とチューニング範囲はどの程度か？
• RQ5 異なる光学機能間で、メタサーフェスが高い効率と波面精度を維持できるか？

主な発見

• 本メタサーフェスは、可動部が一切ない状態で、1つのデバイスで複数の角度にわたり動的ビームスティアリングを実現した。
• 焦点距離を可変にできるレンズを形成するための位相プロファイルをプログラミングすることで、再構成可能なフォーカスを達成した。
• 通信帯において、任意の波面形状制御を可能にするのに十分な範囲の位相変調が実現された。
• システムは、異なる光学機能間で高い効率と低クロストークを維持した。
• 電気光学的チューニング機構により、1ミリ秒未塔の応答時間が達成され、リアルタイム応用に適していた。
• シミュレーションおよびビームスティアリングとフォーカスの実験的デモンストレーションを通じて、普遍的機能の妥当性が検証された。