[논문 리뷰] Nonlocal metasurfaces for spectrally decoupled wavefront manipulation and eye tracking

Jung‐Hwan Song, Jorik van de Groep외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 11.

Advanced Optical Imaging Technologies참고 문헌 79인용 수 127

한 줄 요약

이 논문은 유도 모드 공 resonance (GMR) 기반 고-Q, 비국소 메타표면을 소개하며, 스펙트럼적으로 분리된 광학 기능을 통해 가시광선의 영향을 받지 않게 하고, 근적외선(NIR) 빛을 선택적으로 굴절시켜 스마트 안경에서의 전면 시야 눈 추적을 가능하게 한다. 원자 두께의 실리콘 격자층에서 스펙트럼에 따라 달라지는 흡수를 설계함으로써, 메타표면은 >90%의 가시광선 투과도, <0.1%의 무지개 현상 억제, 870 nm에서 10% 이상의 회절 효율을 달성하여, 소형의 전면 시야 눈 추적을 실현한다.

ABSTRACT

Metasurface-based optical elements typically manipulate light waves by imparting space-variant changes in the amplitude and phase with a dense array of scattering nanostructures. The highly-localized and low optical-quality-factor (Q) modes of nanostructures are beneficial for wavefront-shaping as they afford quasi-local control over the electromagnetic fields. However, many emerging imaging, sensing, communication, display, and non-linear optics applications instead require flat, high-Q optical elements that provide notable energy storage and a much higher degree of spectral control over the wavefront. Here, we demonstrate high-Q, nonlocal metasurfaces with atomically-thin metasurface elements that offer notably enhanced light-matter interaction and fully-decoupled optical functions at different wavelengths. We illustrate a possible use of such a flat optic in eye tracking for eye-wear. Here, a metasurface patterned on a regular pair of eye-glasses provides an unperturbed view of the world across the visible spectrum and redirects near-infrared light to a camera to allow imaging of the eye.

연구 동기 및 목표

• 가시광선과 근적외선(NIR) 파면 조작을 스펙트럼적으로 분리하는 평탄하고 고-Q의 광학 요소를 개발한다.
• 기존 메타표면에서 밴드 구조에 의해 고정된 스펙트럼 결합 한계를 극복한다.
• 한 번의 층에서 고투과도, 무무지개 현상 없는 가시광선 영상과 함께 NIR 빛을 카메라로 효율적으로 조향하는 단일 층 소형 광학 장치를 실현한다.
• 가시광선에 대해 투명한 창으로 기능하고, NIR에 대해 고효율, 협대역 빛 굴절기로 기능하는 메타표면을 설계한다. 이는 안경 프레임에 통합하기에 적합하다.

제안 방법

• Si3N4 웨이브가이드 위에 원자 두께(3–7 nm)의 다결정 실리콘(pSi) 격자 요소를 갖춘 유도 모드 공 resonance(GMR) 구조를 사용하여 고광학 품질 인자(Q)와 비국소 응답을 달성한다.
• 유전체 격자에서 루르티언 오실레이터를 사용해 스펙트럼에 따라 달라지는 흡수를 설계함으로써, 서로 다른 파장에서의 광학 기능을 분리하여, 가시광선과 NIR 반응을 독립적으로 제어한다.
• 전장 엄밀한 결합파 분석(RCWA) 시뮬레이션을 사용하여 다중 GMR 층을 통한 회절 효율, 전기장 강화, 스펙트럼 응답을 모델링하고 최적화한다.
• 비대칭 GMR 구조를 설계하여 +1차 회절 주문을 유도하고 -1차 회절 주문을 반사함으로써, NIR 빛의 방향 제어를 가능하게 하면서도 광역대의 가시광선 투과를 유지한다.
• 각각의 격자 간격과 흡수 프로파일을 독립적으로 조정하여 고-Q GMR 메타표면을 다중으로 쌓아 파장 분할 다중화를 실현한다.
• 다중 층 GMR 스택을 구현하여 각 층이 별도의 파장(700 nm, 705 nm, 710 nm)과 선택적으로 상호작용하도록 하며, 각 층의 기능을 독립적으로 토글하는 흡수를 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스펙트럼적으로 분리된 기능을 가진 고-Q, 비국소 메타표면이 단일, 소형, 투명한 광학 요소로 실현될 수 있는가?
• RQ2 원자 두께의 유전체 격자층에서의 스펙트럼에 따라 달라지는 흡수로 기존 GMR 및 메타표면 설계에서 내재된 스펙트럼 결합을 깰 수 있는가?
• RQ3 이러한 메타표면이 단일 층 형식에서 >80%의 가시광선 투과도, <0.1%의 무지개 현상 억제, 그리고 >10%의 NIR 빛 회절 효율을 동시에 제공할 수 있는가?
• RQ4 메타표면이 사용자의 시야를 차단하거나 색수차를 유발하지 않고 스마트 안경에서 전면 시야 눈 추적을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 다중 층 GMR 메타표면 아키텍처에서 여러 광학 기능(예: 다양한 파장에서의 빛 조향)을 독립적으로 제어할 수 있는가?

주요 결과

• 메타표면은 가시광선 영역(400–700 nm)에서 >90%의 투과도를 달성하며, 최소한의 스펙트럼 왜곡을 유도하여 세계를 영향을 받지 않은 상태로 보여준다.
• 무지개 현상의 강도는 주 피크 대비 0.1% 미만으로 억제되어, 기존의 회절 광학 장치에서 문제시되는 색산란을 제거한다.
• 870 nm에서 메타표면은 +1차 회절 주문으로 10% 이상의 회절 효율을 달성하여, 눈 추적용 카메라로 NIR 빛을 효율적으로 굴절시킬 수 있다.
• 유전체 격자에서 스펙트럼에 따라 조절된 흡수를 사용함으로써 광학 기능의 완전한 분리가 가능해졌으며, 상부 층은 710 nm 빛을 선택적으로 반사하면서 705 nm와 700 nm 빛은 투과시킬 수 있다.
• 다중 층 GMR 설계에서 각 층은 자신의 목표 파장(710 nm, 705 nm, 700 nm)과 선택적으로 상호작용하며, 局부 흡수를 통해 반사 및 투과 스펙트럼을 독립적으로 제어할 수 있다.
• 시뮬레이션 결과, GMR 공 resonance 주파수(870 nm)에서 강한 국소 전기장 강화(>10배)가 확인되어 고-Q 모드에서의 높은 빛-물질 상호작용과 효율적인 에너지 저장을 나타낸다.