[논문 리뷰] Phyllotaxis-inspired Nanosieves with Multiplexed Orbital Angular Momentum

Zhongwei Jin, David Janoschka외 16명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 05.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 52인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 소나무와 해바라기에서 관찰되는 천연 나선 패턴을 모방한 염색체 구조를 가진 나노세이브를 제안하여, 단일의 컴act한 장치에서 동시에 여러 개의 광학성층을 생성한다. 이 설계는 자유공간 및 온칩 플라스모닉 시스템에서 궤도 운동량을 다중화할 수 있게 하며, 초고속 영상 촬영을 통해 여러 성층의 간섭이 동적으로 관측되어 기존의 분할된 메타표면에 비해 장치의 소형화와 채널 용량을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Nanophotonic platforms such as metasurfaces, achieving arbitrary phase profiles within ultrathin thickness, emerge as miniaturized, ultracompact and kaleidoscopic optical vortex generators. However, it is often required to segment or interleave independent subarray metasurfaces to multiplex optical vortices in a single nano device, which in turn affects the compactness and channel capacity of the device. Here, inspired by phyllotaxis patterns in pine cones and sunflowers, we theoretically prove and experimentally report that multiple optical vortices can be produced in a single compact phyllotaxis nanosieve, both in free space and on a chip, where one metaatom may contribute to many vortices simultaneously. The time resolved dynamics of on chip interference wavefronts between multiple plasmonic vortices was revealed by ultrafast time-resolved photoemission electron microscopy. Our nature inspired optical vortex generator would facilitate various vortex related optical applications, including structured wavefront shaping, free space and plasmonic vortices, and high capacity information metaphotonics.

연구 동기 및 목표

• 다중 광학성층을 생성하는 데 있어 분할 또는 겹쳐진 메타표면의 한계를 극복하기 위해.
• 천연 염색체 패턴을 활용하여 단일이고 컴 pact한 나노세이브를 개발하여 동시에 여러 광학성층을 생성하기 위해.
• 자유공간 및 온칩 응용 분야에 적합한 고용량, 초박막 광학성층 생성을 위해.
• 초고속 광전자현미경(ultrafast photoemission electron microscopy)을 활용하여 온칩 플라스모닉 성층의 시간에 따라 변화하는 동역학을 실험적으로 증명하고 특성화하기 위해.
• 나노광학 분야에서 다중 궤도 운동량을 위한 천연 모방 설계 원칙을 수립하기 위해.

제안 방법

• 나노세이브는 소나무와 해바라기에서 관찰되는 피보나치 나선 배열을 기반으로 하여 메타원자를 비균일하고 회전 대칭적으로 분포시킨다.
• 나노세이브의 위상 프로파일은 단일 연속 메타구조를 사용하여 서로 다른 토폴로지 전하를 가진 여러 광학성층을 동시에 생성하도록 설계된다.
• 전자빔 리소그래피를 사용하여 유전체 기판 위에 금속층을 형성함으로써 장치를 제작한다.
• 온칩에서의 다중 플라스모닉 성층 간 간섭의 동적 특성을 촬영하기 위해 초고속 시간해상 분석 광전자현미경(TR-PEEM)이 사용된다.
• 이론적 모델링은 각 메타원자가 다중 성층에 기여함으로써 분할 없이도 다중화가 가능하다고 확인한다.
• 다중 성층 생성 및 간섭 동역학을 검증하기 위해 자유공간 및 온칩 구성을 모두 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 염색체 구조를 모방한 나노세이브는 분할되지 않은 단일 구조에서 동시에 여러 광학성층을 생성할 수 있는가?
• RQ2 메타원자의 나선형 배열은 어떻게 컴 pact한 장치에서 궤도 운동량의 다중화를 가능하게 하는가?
• RQ3 온칩에서의 다중 플라스모닉 성층 간의 간섭은 시간에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 동일한 설계 원칙이 자유공간 및 온칩 광학성층 생성에 모두 적용될 수 있는가?
• RQ5 기존의 분할된 메타표면에 비해 천연 염색체 패턴이 채널 용량과 소형화에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 염색체 나노세이브는 분할이 필요 없이 단일 연속 메타구조에서 동시에 여러 광학성층을 성공적으로 생성하였다.
• 각 메타원자가 다중 성층에 기여함으로써 높은 다중화 효율성과 증가된 채널 용량을 달성하였다.
• 초고속 TR-PEEM 영상 촬영을 통해 온칩에서의 다중 플라스모닉 성층 간 간섭 패턴이 100 fs 이내의 시간 해상도로 동적으로 관측되었다.
• 장치는 자유공간 및 온칩 구성 모두에서 안정적인 다중 성층 생성을 보여주어 설계의 유연성을 확인하였다.
• 이론적 분석은 피보나치 나선 패턴이 동시에 성층 생성에 최적의 위상 분포를 제공함을 확인하였다.
• 기존의 분할된 메타표면에 비해 소형화 및 다중화 능력에서 뚜렷한 향상을 이루었다.