Figur 1. Metaytan designad av teamet som demonstrerar fullständig 2π avstämbar fasmodulering genom att använda den undvikade korsningen av två resonanser. Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Ett internationellt team av forskare ledda av professor Min Seok Jang från KAIST och professor Victor W. Brar från University of Wisconsin-Madison har visat en allmänt användbar metodik som möjliggör en fullständig 360° aktiv fasmodulering för metasytor samtidigt som betydande nivåer av enhetlig ljusamplitud bibehålls . Denna strategi kan i grunden tillämpas på alla spektrala regioner med alla strukturer och resonanser som passar räkningen.
Metasytor är optiska komponenter med specialiserade funktioner oumbärliga för verkliga tillämpningar, allt från LIDAR och spektroskopi till futuristiska teknologier som osynlighetskappor och hologram. De är kända för sin kompakta och mikro-/nanostorlek, vilket gör att de kan integreras i elektroniska datoriserade system med storlekar som ständigt minskar enligt Moores lag.
För att tillåta sådana innovationer måste metasytor kunna manipulera det infallande ljuset genom att manipulera antingen ljusets amplitud eller fas (eller båda) och sända ut det igen. Att dynamiskt modulera fasen med hela cirkelområdet har dock varit en notoriskt svår uppgift, med väldigt få verk som lyckats göra det genom att offra en betydande mängd amplitudkontroll.
Utmanade av dessa begränsningar föreslog teamet en generell metod som gör det möjligt för metasytor att implementera en dynamisk fasmodulering med hela 360° fasintervallet, samtidigt som de bibehåller betydande nivåer av amplitud på ett enhetligt sätt.
Den underliggande orsaken till svårigheten att uppnå en sådan bedrift är att det finns en grundläggande avvägning när det gäller att dynamiskt styra ljusets optiska fas. Metasytor utför i allmänhet en sådan funktion genom optiska resonanser, en excitation av elektroner inuti metasytstrukturen som harmoniskt oscillerar tillsammans med det infallande ljuset. För att kunna modulera genom hela området 0–360° måste den optiska resonansfrekvensen (mitten av spektrumet) ställas in mycket samtidigt som linjebredden (bredden på spektrumet) hålls till ett minimum . Men för att elektriskt ställa in den optiska resonansfrekvensen för metaytan vid behov, måste det finnas ett kontrollerbart inflöde och utflöde av elektroner in i metaytan och detta leder oundvikligen till en större linjebredd av den tidigare nämnda optiska resonansen.
Figur 2. a:Komplexa reflektionskoefficientbanor med olika mobilitetsvärden för grafenplåtsfallet. Full 2π-fasmodulering sker inte utan den undvikade korsningen med grafenplasmoner, trots de ökande rörligheterna och därför de minskande linjebredderna. b:Komplexa reflektionskoefficientbanor med olika mobilitetsvärden för grafenbandshöljet. Kredit:Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)
Problemet förvärras ytterligare av det faktum att fasen och amplituden för optiska resonanser är nära korrelerade på ett komplext, icke-linjärt sätt, vilket gör det mycket svårt att ha väsentlig kontroll över amplituden samtidigt som fasen ändras.
Teamets arbete kringgick båda problemen genom att använda två optiska resonanser, var och en med specifikt angivna egenskaper. En resonans tillhandahåller frikopplingen mellan fasen och amplituden så att fasen kan ställas in samtidigt som signifikanta och enhetliga amplitudnivåer bibehålls, samt ger en smal linjebredd.
Den andra resonansen tillhandahåller förmågan att vara tillräckligt avstämd i stor utsträckning så att hela cirkelområdet för fasmodulering är uppnåeligt. Kvintessensen av arbetet är då att kombinera de olika egenskaperna hos de två resonanserna genom ett fenomen som kallas undvikad korsning, så att interaktionerna mellan de två resonanserna leder till en sammanslagning av de önskade egenskaperna som uppnår och till och med överträffar den fullständiga 360° fasmoduleringen med enhetlig amplitud.
Professor Jang sa:"Vår forskning föreslår en ny metod för dynamisk fasmodulering som bryter igenom de konventionella gränserna och avvägningarna, samtidigt som den är brett tillämpbar i olika typer av metasytor. Vi hoppas att denna idé hjälper forskare att implementera och förverkliga många viktiga tillämpningar av metasytor, såsom LIDAR och hologram, så att nanofotonikindustrin fortsätter att växa och ger en ljusare teknisk framtid."
Forskningsartikeln författad av Ju Young Kim och Juho Park, et al., och med titeln "Full 2π Tunable Phase Modulation Using Avoided Crossing of Resonances" publicerades i Nature Communications den 19 april. + Utforska vidare
