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再構成可能メタサーフェスでナノスケール光制御

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September, 17, 2021, Beijing--北京理工大学の研究チームは、ピクセル・バイ・ピクセルレベルで制御、プログラムできる電気機械再構成可能超薄光素子を設計した。この多用途メタサーフェスは、ナノスケール光制御を達成する新しいチップベースの方法となり、これにより優れた光ディスプレイ、情報エンコーディング、デジタル光処理が実現する。

「メタサーフェスは超薄、コンパクトな光学素子であり、光の振幅、位相、偏光を操作するために使える。ほとんどのメタサーフェスは、静的、パッシブであるが、われわれは静電力に反応して機械的に変形するメタサーフェスを作製した」と北京理工大学、研究チームリーダーJiafang Liは説明している。

Optics Expressで研究チームは、キリガミからヒントを得たナノスケール技術を使ってチームがどのようにメタサーフェスを作製したかを説明している。これにより、電圧を印加することで2D設計から3D構造に変形する微小ユニットが実現する。

「われわれの再構成可能メタサーフェスを利用してわれわれは動的ホログラフィックディスプレイを造ることができる。これらの光学素子は、光学的マルチタスク、書き換え可能機能を備えた新しいタイプのデバイスになる。それらは、リアルタイム3Dディスプレイや高解像度プロジェクタでも使える」とLiは説明している。

2Dから3Dへ変形するスパイラルパタン
新しいメタサーフェスを造るために研究チームは、2つの統合スパイラルの反復的2Dパタンを設計した。これは、ゴールドのナノフィルムにエッチングし、二酸化ケイ素上に吊り下げられている。そのユニットは、わずか2µm間隔の正方格子に配置されている。電圧を印加すると、静電力により、そのスパイラルが変形する。この変形は、可逆的、反復的であり、メタサーフェスの光学特性を動的に変調するために使える。

チームは、その新しいアプローチを使って、ピクセル・バイ・ピクセルベースで光を制御するために2つのタイプのメタサーフェスを作製した、同じ電圧を使う一方のメタサーフェスは、各ユニットを変形するが、構造パタンのスパイラルを特徴としており、多様な変形高さになる。第2のメタサーフェスは、各ユニットに印可された異なる電圧を使い、同一の構造パタンを持つユニットで様々な変形高さを達成する。

概念実証デモンストレーションとして、研究チームはこれらのメタサーフェスを使ってビームコントロールを実証し、ホログラフィックディスプレイを実現した。「われわれは、電圧バイアスを制御するだけでメタサーフェスからの画像の再構成ができた。われわれのスキームが効果的光変調に実行可能性があることを証明した」(Li)。

研究チームは、ピクセル化された電圧制御、マルチラインアドレシング法などを達成するために使用可能な戦略を研究する計画である。即ち、商用OLEDディスプレイで複数の列を同時駆動することが目的。その技術をさらに実用的にするために、チームは、再構成可能システムのSNRと変調品質の改善に取り組んでいる。
(詳細は、Opt. Express, 29, 19, 30751-30760 (2021).)