[논문 리뷰] Dielectric nonlocal metasurfaces for fully solid-state ultra-thin optical systems

Aobo Chen, Francesco Monticone|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 15.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 25인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초박두 광학 시스템에서 자유공간 전파를 대체하기 위해 결합된 공진층으로 구성된 유전체 비국소 메타표면을 제안한다. 이는 넓은 각도 범위에서 고투과율을 유지하면서 자유공간 길이를 임의로 압축할 수 있게 하며, 전통적인 렌즈 설계에서의 상충 관계를 극복하는 완전한 고체 상태, 평판형 영상 및 집광 시스템의 이론적 구현을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Most optical systems involve a combination of lenses separated by free-space regions where light acquires the required angle-dependent phase delay for a certain functionality. Very recently, flat-optics structures have been proposed to compress these large free-space volumes and miniaturize the overall optical system. However, these early designs can only replace free-space volumes of limited length, or operate in a very narrow angular range, or require a high-index background. These issues raise questions about the applicability of these devices in practical scenarios. Here, we first derive a fundamental trade-off between the length of compressed free space and the operating angular range, which explains some of the limitations of earlier designs, and we then propose a solution to relax this trade-off using nonlocal metasurface structures composed of suitably coupled resonant layers. This strategy, inspired by coupled-resonator-based band-pass filters, allows replacing free-space volumes of arbitrary length over wide angular ranges, and with very high transmittance. Finally, we theoretically demonstrate, for the first time, the potential of combining local and nonlocal metasurfaces to realize compact, fully solid-state, planar structures for focusing, imaging, and magnification, in which the focal length of the lens (and hence its magnifying power) does not dictate the actual distance at which focusing is achieved. Our findings are expected to extend the reach of the field of metasurfaces and open new unexplored opportunities.

연구 동기 및 목표

• 기존 평판광학 장치가 장거리 자유공간 전파 영역을 높은 효율과 넓은 각도 반응으로 대체하는 데에 한계가 있음을 해결하기 위해.
• 기존 메타표면에서 압축된 자유공간 길이와 작동 각도 범위 사이의 근본적 상충 관계를 극복하기 위해.
• 확장된 자유공간 영역의 위상 응답을 모방하면서도 고투과율과 평판 통합을 유지하는 비국소 메타표면 아키텍처를 설계하기 위해.
• 지역 금속렌즈와 비국소 메타표면을 조합한 완전한 고체 상태, 초박두 광학 시스템이 집중, 영상, 확대 기능을 수행할 수 있음을 이론적으로 입증하기 위해.
• 금속렌즈의 초점거리가 실제 영상 평면까지의 물리적 거리에 제약을 받지 않도록 하여 광학 성능과 물리적 크기 사이의 결합을 해소하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 자유공간 전파의 위상 응답을 $\varphi(k_t) = L\sqrt{k_0^2 - k_t^2}$로 모델링하여, 대체되는 자유공간 길이와 작동 각도 범위 사이의 기본 상충 관계를 유도한다.
• 주파수에 따라 선형 위상 응답과 균일한 투과율 진폭을 달성하기 위해, $n$개의 공진 유전체 층으로 구성된 비국소 메타표면 구조를 제안한다. 층 사이에는 분율파장 간격의 스페이서를 사용한다.
• 결합된 공진기 대역통과 필터에서 영감을 얻어, 제어된 대역폭을 가진 고 Q 인자 공진을 가능하게 하여 넓은 작동 대역폭을 지원한다.
• 비국소 메타표면의 위상 응답을 자유공간 경로 길이 $L$의 위상 누적과 일치시키기 위해, 다층 스택을 모델링하기 위해 전이 행렬 방법을 사용한다.
• 유한차분시간영역(FDTD) 방법을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 횡방향 평면은 $96\lambda_0 \times 96\lambda_0$ 영역에 대해 $120 \times 120$ 픽셀로 이산화하였다.
• 비국소 장치는 금속렌즈와 영상 평면 사이에 통합되어 모든 자유공간 전파를 대체하며, 조절 가능한 효과적 초점거리를 가진 컴act하고 평판형 광학 시스템을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 메타표면이 넓은 각도 범위에서 장거리 자유공간 전파를 대체하는 데에 제한을 받는 근본적 상충 관계는 무엇인가?
• RQ2 비국소 메타표면은 어떻게 넓은 횡방향 파수 범위에서 고투과율과 선형 위상 응답을 달성할 수 있는가?
• RQ3 결합된 공진을 가진 다층 유전체 구조는 고굴절률 기판을 요구하지 않고도 임의의 자유공간 길이의 위상 누적을 모방할 수 있는가?
• RQ4 비국소 메타표면을 사용할 경우, 금속렌즈와 영상 평면 사이의 물리적 거리는 얼마나 줄일 수 있으며, 영상 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ5 완전한 고체 상태, 평판형 광학 시스템에서 금속렌즈의 초점거리는 실제 영상 거리에서 분리될 수 있는가?

주요 결과

• 기존 단일 공진 층을 사용한 설계에서의 한계를 설명하는 바탕이 되는 상충 관계가 유도되었으며, 이는 대체되는 자유공간 길이 $L$과 작동 각도 범위 사이의 관계이다.
• 제안된 $n$-층 비국소 메타표면은 >90%의 고투과율과 주파수에 따른 선형 위상 응답을 달성하여, 임의의 길이의 자유공간 경로를 효과적으로 대체할 수 있다.
• 이 시스템은 영상 평면까지의 거리가 최소 $44.6\lambda_0$까지 단축되더라도 초점거리 $100\lambda_0$를 유지하면서 영상 성능을 확보하여, 초점거리와 물리적 영상 거리의 분리가 입증되었다.
• 비국소 메타표면는 몇 퍼센트의 분수 대역폭과 $Q$ 요소 15를 가지며, 손실과 제조 허용 오차에 대해 중간 정도의 내구성을 보이며, 이는 실용적 적용 가능성을 시사한다.
• 실제 제조 기술인 다층 유전체 코팅과 같은 표준 공정 기술과 호환되며, 실리콘과 실리카 같은 재료를 사용하여 금속렌즈 및 센서와의 실용적 통합이 가능하다.
• 이론적 시뮬레이션은 비국소 메타표면이 집중, 영상, 확대 기능을 수행할 수 있는 완전한 고체 상태, 초박두 광학 시스템을 가능하게 하며 성능 저하 없이 작동할 수 있음을 확인하였다.