[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种电光可调、可重构的超表面，通过单一器件在通信波段实现了通用光学调控。通过电调制相同亚波长天线单元的散射光相位，该超表面无需活动部件即可动态实现波束转向和可重构聚焦，展示了类似于电子存储的可编程波前整形能力。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可重构超表面，可按需执行多种光学功能。
• 通过在单一器件中实现通用功能，消除对多个固定功能超表面的需求。
• 在无机械部件或活动部件的情况下实现光学波前的电子控制。
• 通过亚波长天线中的电光效应，实现散射光的动态相位调制。
• 利用单一可调阵列实现对光的振幅、相位和偏振的可编程控制。

提出的方法

• 超表面采用在透明电光活性基底上制造的相同亚波长天线单元。
• 通过底层材料的电压控制折射率变化实现相位调制，从而改变有效光程长度。
• 系统使用紧凑的集成电极阵列，在超表面单元上施加可调电场。
• 通过编程控制每个独立单元的相位响应，实现波前整形。
• 通过阵列级编程，实现对散射光相位、振幅和偏振的同步控制。
• 利用电光效应调节每个天线周围介质环境的有效折射率。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一超表面是否可重构为执行多种不同的光学功能，如波束转向和聚焦？
• RQ2 在纳米尺度平台上，如何实现无机械部件的电子化散射光相位控制？
• RQ3 通过可编程相位调制，通用超表面在多大程度上可模拟多个固定功能超表面的功能？
• RQ4 超表面阵列中电光相移器的带宽和调谐范围是多少？
• RQ5 超表面在不同光学功能下是否能保持高效率和波前精度？

主要发现

• 该超表面通过单一器件实现了无机械运动的多角度动态波束转向。
• 通过编程相位分布形成可变焦距透镜，实现了可重构聚焦。
• 该器件实现了足够宽的相位调谐范围，可在通信波段支持任意波前整形。
• 系统在不同光学功能之间保持了高效率和低串扰。
• 电光调谐机制实现了亚毫秒级响应时间，适用于实时应用。
• 通过仿真和波束转向与聚焦的实验演示，验证了通用功能的实现。