Band-selective modulation of optical beams using Fano-resonant metasurface

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Fano resonance is a special resonant nature in optics and photonics as well as atomic systems, which originates from destructive interference between continuum and discrete states. Resonance is a basic phenomenon that becomes a cornerstone for designing complex optical devices. Among them, Fano resonance has been actively studied due to its unique spectral characteristics. In particular, the development of metasurfaces has made it possible to excite and control the Fano resonance through an array of artificial nanostructures in subwavelength scale. The high quality factor of the Fano resonance is a key element for modulating light in the specific bandwidth. However, the research of the Fano-resonant metasurfaces has been limited to adjusting constraining factors such as absolute value of the quality factor, resonant frequency, and depth of resonance peak or dip. In addition, the amplitude characteristic of Fano-resonant metasurfaces has been applied in limited applications including optical sensors and modulators.
This dissertation investigates optical modulation method of the Fano resonance via metasurfaces and their application to optical elements. Polarization, amplitude, and phase of optical beams will be addressed as subjects of modulation using Fano-resonant metasurfaces to extend the scope of researches related to the existing Fano-resonant metasurface. A band-selective application based on the amplitude and phase of the Fano resonance will be proposed.
First, the polarization dependency of electromagnetically induced transparency effect, which can be regarded as an example of the Fano resonance, will be discussed. The change of optical properties depending on the polarization of the incident light causes a decrease in efficiency which can be a significant issue when a consistent operation is required. By designing a symmetric metasurface, this polarization dependency can be eliminated, which increases the efficiency of band-selective based optical devices.
After then, control mechanism of amplitude and phase will be dealt with for general Fano resonance phenomena in metasurfaces. An array of metallic nano-antennas in a reflective scheme excites the Fano resonance and solves the problem of what was considered a classic trade-off problem in Fano-resonant metasurfaces. A new type of amplitude-based application for switching resonant modes, Fano and dipole resonances, is also proposed via an oblique incidence without any change of geometric structures. The reflective Fano-resonant metasurface has another feature that can delay the phase by controlling the thickness of the dielectric spacer between the metallic nano-antennas and ground backplane. Based on the modeling of two coupled oscillator system, the working principle capable of phase modulation covering from 0 to 2π is discussed. Phase modulation based on the Fano resonance shows band-selective characteristics with extremely small full-width-half-maximums. Based on this Fano-resonant metasurface, a band-selective optical demultiplexer will be demonstrated which distinguishes broadband incident light by deflecting target wavelengths at different angles.
I expect that this dissertation can lead to the development of optical devices based on Fano resonances beyond the existing limited applications. Furthermore, this work demonstrates the various controllability of Fano resonances, and is expected to motivate new research flows to expand Fano resonance-based applications.

국문 초록 (Abstract)

파노 공진은 원자 시스템뿐만 아니라 광학이나 포토닉스 분야에서도 발견되는 독특한 공진 현상으로, 연속상태와 이산상태간의 상쇄간섭에서 기인한다. 공진이란 복잡한 광학 장치를 설계할 때 초석이 되는 근본 현상이다. 그 중에서도, 파노 공진은 독특한 스펙트럼 특성으로 인해 활발하게 연구되어 왔다. 특히 메타표면의 발전은 파장보다 작은 규모의 인공적인 나노 구조물의 배열을 통해 파노 공진을 여기하고 조절하는 것을 가능하게 했다. 파노 공진의 높은 Q인자는 특정 대역폭에서 빛을 제어하는데 주요한 요소이다. 하지만 지금까지 파노 공진형 메타표면의 연구는 Q인자의 절대값, 공진 주파수, 그리고 공진 피크나 딥의 깊이와 같은 제한적인 요소들의 조절에만 제한되어 있었다. 또한, 파노 공진형 메타표면의 진폭 특성만이 광학 센서나 변조기와 같은 응용처에 적용되었다.
본 박사학위 논문에서는 메타표면을 통해 파노 공진의 광 변조방법과 광학 소자로써의 응용에 대해 탐구한다. 기존의 연구범위를 확장하기 위해, 파노 공진형 메타표면을 이용하여 빛의 편광, 진폭, 그리고 위상이 변조의 대상으로 다루어질 것이다. 파노 공진의 진폭과 위상에 기반한 파장대역 선택적 응용처를 새롭게 제시한다.
첫째로 파노 공진의 한 예인 전자기 투과 현상의 편광 의존성에 대해 논의할 것이다. 입사하는 빛의 편광상태에 의존하는 광학적 특성변화는 효율저하를 야기하며, 이는 안정적인 동작이 요구될 때 심각한 문제가 될 수 있다. 대칭적 메타표면을 설계함으로써 이러한 편광 의존성이 제거될 수 있으며, 이는 파장대역 선택 기반 광학 장치의 효율을 향상시킨다.
다음으로 메타표면에서의 일반적인 파노 공진 현상에 대하여 진폭과 위상의 제어 방법이 다루어질 것이다. 반사형 구조의 금속 나노 안테나 배열은 파노 공진을 여기하고 또 기존의 파노 공진형 메타표면에서 고전적인 상충관계로 여겨졌던 문제를 해결한다. 기하학적 구조의 변화 없이 사 입사만을 통하여, 파노 공진과 쌍극자 공진, 두 공진 모드를 스위칭하는 새로운 형태의 진폭 기반 응용법이 제안된다. 반사형 파노 공진형 메타표면은 금속 나노 안테나와 반사판 사이의 유전체 두께를 조절하여 빛의 위상을 지연시킬 수 있는 또 하나의 독특한 성질을 갖는다. 두 결합된 공진자 시스템 모델링에 기반하여, 0부터 2π를 포함한 위상변조의 작동 원리를 분석한다. 파노 공진에 기반한 위상 변조는 극히 작은 FWHM값과 함께 파장대역 선택적 특성을 갖는다. 이러한 파노 공진형 메타표면을 기반으로, 목표한 파장을 다른 각도로 굴절시켜 광대역 입사 빛을 구별하는 파장대역 선택적 광학 디멀티플렉서가 검증될 것이다.
본 박사학위 논문은 기존의 제한된 응용처를 넘어서 파노 공진에 기반한 광학 장치의 발전을 이끌 것으로 기대된다. 나아가 이 결과는 파노 공진의 다양한 제어 가능성을 검증하였고, 이는 파노 공진에 기반한 응용처를 확장시키는 새로운 연구 흐름에 동기를 부여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Overview of metasurfaces 1
• 1.2 Motivation of this dissertation 4
• 1.3 Scope and organization 7
• Chapter 2 Polarization independent EIT in metasurface 10
• 2.1 Introduction of Fano resonance and EIT effect in metasurface 10
• 2.2 Polarization independent EIT in symmetric metasurface 16
• 2.2.1 Configuration of metasurface 16
• 2.2.2 Working principles and numerical results 18
• 2.2.3 Slow light effect 25
• 2.3 Summary and discussions 28
• Chapter 3 Amplitude control of optical beams using Fano-resonant metasurface with enhanced resonance 29
• 3.1 Introduction 29
• 3.2 Enhancement of Fano resonance in reflective metasurface 32
• 3.2.1 Configuration of reflective Fano-resonant metasurface 32
• 3.2.2 Working principles 35
• 3.3 Band-selective amplitude switching using reflective Fano-resonant metasurface 45
• 3.4 Experimental demonstration 48
• 3.5 Summary and discussions 57
• Chapter 4 Phase control of optical beams using Fano-resonant metasurface and its application 58
• 4.1 Introduction 58
• 4.2 Phase control of Fano resonance in reflective metasurface 60
• 4.2.1 Analysis on mechanism of phase modulation in reflective metasurface 60
• 4.2.2 Design and working principle of Fano-resonant metasurface 65
• 4.3 Band-selective optical demultiplexer using reflective Fano-resonant metasurface 70
• 4.3.1 Design of gradient metasurface based on Fano resonance 70
• 4.3.2 Analysis on the property of optical demultiplexer using Fano-resonant metasurface 75
• 4.4 Experimental demonstration 79
• 4.5 Summary and discussions 87
• Chapter 5 Conclusion 88
• Bibliography 92
• Appendix 104
• 초 록 105