Figure 1. La métasurface conçue par l'équipe qui démontre une modulation de phase accordable 2π complète en utilisant le croisement évité de deux résonances. Crédit :Institut supérieur des sciences et technologies de Corée (KAIST)
Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le professeur Min Seok Jang du KAIST et le professeur Victor W. Brar de l'Université du Wisconsin-Madison a démontré une méthodologie largement applicable permettant une modulation de phase active complète à 360° pour les métasurfaces tout en maintenant des niveaux significatifs d'amplitude lumineuse uniforme. . Cette stratégie peut être fondamentalement appliquée à n'importe quelle région spectrale avec toutes les structures et résonances qui correspondent à la facture.
Les métasurfaces sont des composants optiques dotés de fonctionnalités spécialisées indispensables pour les applications réelles allant du LIDAR et de la spectroscopie aux technologies futuristes telles que les capes d'invisibilité et les hologrammes. Ils sont connus pour leur nature compacte et de taille micro/nano, ce qui leur permet d'être intégrés dans des systèmes informatisés électroniques dont les tailles ne cessent de diminuer comme le prédit la loi de Moore.
Afin de permettre de telles innovations, les métasurfaces doivent être capables de manipuler la lumière incidente, en manipulant soit l'amplitude ou la phase de la lumière (ou les deux) et en la réémettant. Cependant, moduler dynamiquement la phase avec la gamme complète du cercle a été une tâche notoirement difficile, avec très peu de travaux y parvenant en sacrifiant une quantité substantielle de contrôle d'amplitude.
Défiée par ces limites, l'équipe a proposé une méthodologie générale qui permet aux métasurfaces de mettre en œuvre une modulation de phase dynamique avec la gamme de phase complète de 360 °, tout en maintenant uniformément des niveaux d'amplitude significatifs.
La raison sous-jacente de la difficulté à réaliser un tel exploit est qu'il existe un compromis fondamental concernant le contrôle dynamique de la phase optique de la lumière. Les métasurfaces remplissent généralement une telle fonction par le biais de résonances optiques, une excitation d'électrons à l'intérieur de la structure de la métasurface qui oscille harmoniquement avec la lumière incidente. Afin de pouvoir moduler sur toute la plage de 0 à 360 °, la fréquence de résonance optique (le centre du spectre) doit être réglée de manière importante tandis que la largeur de raie (la largeur du spectre) est maintenue à un minimum . Cependant, pour régler électriquement la fréquence de résonance optique de la métasurface à la demande, il doit y avoir un afflux et un afflux contrôlables d'électrons dans la métasurface, ce qui conduit inévitablement à une plus grande largeur de raie de la résonance optique susmentionnée.
Figure 2. a :Trajectoires de coefficients de réflexion complexes avec différentes valeurs de mobilité pour le cas de la feuille de graphène. La modulation complète de la phase 2π ne se produit pas sans le croisement évité avec les plasmons du graphène, malgré les mobilités croissantes et donc les largeurs de raie décroissantes. b :Trajectoires de coefficients de réflexion complexes avec différentes valeurs de mobilité pour le cas du ruban de graphène. Crédit :Institut supérieur des sciences et technologies de Corée (KAIST)
Le problème est encore aggravé par le fait que la phase et l'amplitude des résonances optiques sont étroitement corrélées de manière complexe et non linéaire, ce qui rend très difficile le contrôle substantiel de l'amplitude tout en modifiant la phase.
Le travail de l'équipe a contourné les deux problèmes en utilisant deux résonances optiques, chacune avec des propriétés spécifiquement désignées. Une résonance fournit le découplage entre la phase et l'amplitude afin que la phase puisse être réglée tout en maintenant des niveaux d'amplitude significatifs et uniformes, tout en fournissant une largeur de raie étroite.
L'autre résonance offre la possibilité d'être suffisamment accordée dans une large mesure pour que la plage complète du cercle complet de modulation de phase soit réalisable. La quintessence du travail est alors de combiner les différentes propriétés des deux résonances à travers un phénomène appelé croisement évité, de sorte que les interactions entre les deux résonances conduisent à une fusion des traits souhaités qui atteint et même dépasse la modulation de phase complète à 360°. avec une amplitude uniforme.
Le professeur Jang a déclaré:"Notre recherche propose une nouvelle méthodologie de modulation de phase dynamique qui dépasse les limites et les compromis conventionnels, tout en étant largement applicable à divers types de métasurfaces. Nous espérons que cette idée aidera les chercheurs à mettre en œuvre et à réaliser de nombreuses applications clés de métasurfaces, telles que LIDAR et les hologrammes, afin que l'industrie de la nanophotonique continue de croître et offre un avenir technologique plus prometteur."
Le document de recherche rédigé par Ju Young Kim et Juho Park, et al., et intitulé "Full 2π Tunable Phase Modulation Using Avoided Crossing of Resonances" a été publié dans Nature Communications le 19 avril. + Explorer plus loin
