Рисунок 1. Метаповерхность, разработанная командой, которая демонстрирует полную перестраиваемую фазовую модуляцию 2π с использованием предотвращения пересечения двух резонансов. Предоставлено: Корейский передовой институт науки и технологий (KAIST).

Метаповерхности — это оптические компоненты со специализированными функциями, необходимыми для реальных приложений, начиная от лидаров и спектроскопии и заканчивая футуристическими технологиями, такими как плащи-невидимки и голограммы. Они известны своей компактностью и микро-/нано-размером, что позволяет интегрировать их в электронные компьютеризированные системы с размерами, которые постоянно уменьшаются, как предсказывает закон Мура.

Чтобы допустить такие инновации, метаповерхности должны быть способны манипулировать падающим светом, манипулируя либо амплитудой , либо фазой света (или и тем, и другим) и испуская его обратно. Однако динамическая модуляция фазы с полным круговым диапазоном была заведомо сложной задачей, и очень немногим работам удалось сделать это, пожертвовав значительной частью контроля амплитуды.

Столкнувшись с этими ограничениями, команда предложила общую методологию, которая позволяет метаповерхностям реализовать динамическую фазовую модуляцию с полным фазовым диапазоном 360°, при этом равномерно поддерживая значительные уровни амплитуды.

Основная причина трудности достижения такого успеха заключается в том, что существует фундаментальный компромисс в отношении динамического управления оптической фазой света. Метаповерхности обычно выполняют такую ​​функцию через оптические резонансы, возбуждение электронов внутри структуры метаповерхности , которые гармонически колеблются вместе с падающим светом. Чтобы иметь возможность модулировать во всем диапазоне 0–360°, оптический резонансчастота (центр спектра) должна быть настроена на большую величину, в то время как ширина линии (ширина спектра) сведена к минимуму. Однако для электрической настройки частоты оптического резонанса метаповерхности по требованию необходим контролируемый приток и отток электронов в метаповерхность, что неизбежно приводит к большей ширине линии вышеупомянутого оптического резонанса.

Рис. 2. а: Сложные траектории коэффициента отражения с различными значениями подвижности для случая графенового листа. Полная фазовая модуляция 2π не происходит без пересечения с графеновыми плазмонами, несмотря на увеличение подвижности и, следовательно, уменьшение ширины линии. б: Траектории комплексного коэффициента отражения с различными значениями подвижности для случая графеновой ленты. Предоставлено: Корейский передовой институт науки и технологий (KAIST).

Проблема еще больше усугубляется тем фактом, что фаза и амплитуда оптических резонансов тесно связаны сложным нелинейным образом, что делает очень трудным существенный контроль над амплитудой при изменении фазы.

Работа группы позволила обойти обе проблемы, используя два оптических резонанса, каждый из которых обладал определенными свойствами. Один резонанс обеспечивает развязку между фазой и амплитудой, так что фазу можно настраивать при сохранении значительных и однородных уровней амплитуды, а также обеспечивает узкую ширину линии.

Другой резонанс обеспечивает возможность настройки в достаточной степени, чтобы был достижим полный полный диапазон фазовой модуляции. Квинтэссенцией работы является объединение различных свойств двух резонансов с помощью явления, называемого предотвращением пересечения, так что взаимодействие между двумя резонансами приводит к слиянию желаемых характеристик, которое достигает и даже превосходит полную фазовую модуляцию на 360° с равномерной амплитудой.

Профессор Ян сказал: «Наше исследование предлагает новую методологию динамической фазовой модуляции, которая преодолевает общепринятые ограничения и компромиссы, но при этом широко применима к различным типам метаповерхностей. Мы надеемся, что эта идея поможет исследователям внедрить и реализовать многие ключевые приложения метаповерхности, такие как LIDAR и голограммы, чтобы индустрия нанофотоники продолжала расти и обеспечивала более яркое технологическое будущее».

19 апреля в журнале Nature Communications была опубликована исследовательская статья под названием «Полная перестраиваемая фазовая модуляция 2π с использованием предотвращенного пересечения резонансов», автором которой являются Джу Янг Ким и Джухо Пак и др.