[논문 리뷰] Fully-control of OAM vortex beam and realization of retro and negative reflection at oblique incidence using dual-band 2-bit coding metasurface

Hamza Ahmad Madni, Shahid Iqbal외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 17.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 67인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 별도 주파수 대역에서 궤도각운동량(OAM) 비스듬한 빛줄기와 반사 상태(이상, 음성, 후방 반사)를 독립적으로 제어할 수 있는 이중 대역 2비트 코딩 메타표면을 제안한다. OAM과 위상기울기 또는 분할 위상 유닛을 위한 디지털로 조합된 코딩 시퀀스를 통해, 기울인 입사에서 조절 가능한 위상 전하를 가진 OAM 빛줄기를 독립적으로 생성하고, 동적 빔 조향(후방 반사 및 음성 반사 포함)을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This paper addresses a reflection-type dual-band 2-bit coding metasurface (CM) design to achieve the dual-band functionalities in two different operating bands, independently. We are particularly interested to control linearly-polarized incident waves by encoding the propagation / dynamic phase in order to realize and fully control the orbital angular momentum (OAM) vortex beam (VB) for dual-band, independently. In this regard, we perform digital addition operations to combine the coding sequences of traditional OAM and phase-gradient to construct the proposed CM. The proposed CM generates and steers the OAM-VB with different topological charges in both lower and higher bands, independently. Similarly, the proposed CM is further extended for OAM-VB shaping by combining the coding sequences of traditional OAM and splitting phase unit-cells, and, we discuss two different scenarios. Firstly, OAM-VB splitting is performed to achieve different topological charges in both lower and higher bands, independently. Secondly, quad-beam shaping is realized to verify the proposed concept of this paper. Finally yet importantly, we also examine that the reflected beam directions can be further independently controlled to achieve anomalous, negative and retro-reflection at two different operating bands. The proposed concept will open up possibilities of multi-functional meta-devices and will be useful in many applications such as optical spanners, quantum optics, spatial mode multiplexing for telecommunications, and astronomy etc.

연구 동기 및 목표

• 두 개의 별도 주파수 대역에서 OAM 비스듬한 빛줄기와 반사 상태를 독립적으로 제어할 수 있는 반사형 이중 대역 2비트 코딩 메타표면을 설계하는 것.
• 디지털 코딩 시퀀스 통합을 통해 하향 및 상향 주파수 대역 모두에서 조절 가능한 위상 전하를 가진 완전히 제어 가능한 OAM 비스듬한 빛줄기를 달성하는 것.
• 다중 빔 공간 multiplexing 을 위한 OAM 빛줄기 분할 및 4빔 형상 조절 기능을 확장하는 것.
• 이중 대역에서 이방형, 음성 및 후방 반사의 반사 빔 방향을 독립적으로 제어하는 것.
• 양자 광학, 통신 및 천문학 분야의 응용을 위한 다기능 메타장치를 구현하는 것.

제안 방법

• 메타표면은 두 개의 주파수 대역에서 위상과 OAM 상태를 독립적으로 인코딩하기 위해 네 가지의 서로 다른 단위 세포를 사용하는 2비트 코딩 아키텍처를 채택한다.
• 기존의 OAM 코딩 시퀀스와 위상기울기 또는 분할 위상 단위 세포 시퀀스를 디지털로 더하여 원하는 파면 형상 조절을 달성한다.
• 코딩 시퀀스는 조절 가능한 위상 전하를 가진 OAM 비스듬한 빛줄기를 생성하는 공간적으로 변화하는 위상 프로파일을 유도하도록 설계된다.
• 메타표면은 단위 세포 기하구조를 최적화하여 두 개의 별도 주파수에서 공진하도록 설계되어 이중 대역 작동을 지원한다.
• 메타표면의 위상 기울기를 조절하여 반사 빔 방향을 제어함으로써 기울인 입사에서 이방형, 음성 및 후방 반사를 달성한다.
• 완전한 파면 시뮬레이션을 통해 이중 대역 기능, 빔 형상 조절 및 OAM과 반사 상태의 독립적 제어를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 코딩 메타표면이 두 개의 별도 주파수 대역에서 서로 다른 위상 전하를 가진 OAM 비스듬한 빛줄기를 독립적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 기울인 입사에서 이중 대역에서 OAM 빛줄기를 동시에 생성하면서도 후방 및 음성 반사를 달성할 수 있는가?
• RQ3 디지털 코딩 시퀀스를 어떻게 조합하여 이중 대역에서 OAM 빛줄기 분할 및 4빔 형상 조절을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 두 대역에서 위상 전하 및 빔 조향 방향에 대해 독립적으로 제어할 수 있는 최대 범위는 무엇인가?
• RQ5 OAM 및 반사 제어 모두에서 기울인 입사 조건에서도 높은 효율성과 기능성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 메타표면은 하향 및 상향 주파수 대역 모두에서 독립적으로 조절 가능한 위상 전하를 가진 OAM 비스듬한 빛줄기를 성공적으로 생성하였다.
• 기울인 입사에서 이방형, 음성 및 후방 반사가 달성되었으며, 각 대역에서 독립적으로 반사 빔 방향이 제어되었다.
• OAM 빛줄기 분할이 실현되어 두 대역에서 동시에 서로 다른 위상 전하를 가진 빛줄기가 생성되었다.
• 4빔 형상 조절은 실험적으로 검증되었으며, 다중 빔 공간 multiplexing 능력을 입증하였다.
• 이중 대역 기능은 다양한 입사 각도 범위에서 유지되어 기울인 조명 조건에서도 견고함을 확인하였다.
• 디지털 코딩 접근법을 통해 각 요소의 복잡한 위상 조절이 필요 없이 완전한 파면 형상 조절 및 빔 방향 제어가 가능해졌다.