Nanostructure-Empowered Efficient Coupling of Light into Optical Fibers at Extraordinarily Large Angles

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作者
Oleh Yermakov,H. Schneidewind,Uwe Hübner,Torsten Wieduwilt,Matthias Zeisberger,Andrey Bogdanov,Yuri S. Kivshar,Markus A. Schmidt
出处
期刊:ACS Photonics [American Chemical Society]
卷期号:7 (10): 2834-2841 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsphotonics.0c01078
摘要

Coupling of light from free space to optical fibers is essential for many applications, while commonly used step-index optical fibers provide insufficient coupling efficiencies especially at large angles of incidence. Here, we demonstrate record-high coupling efficiencies achieved with dielectric nanostructures located on single-mode fiber end faces. We introduce a novel approach that allows fabricating dielectric nanostructures at the facet of a step-index optical fiber via an extended version of planar electron-beam based lithography. We demonstrate polarization- and angle-independent coupling of light into the fiber across a wide range of angles as large as 80°. We support our experimental results with an analytical model and extensive numerical simulations. Our results reveal the key properties of nanostructure-empowered fibers that may improve the performance of many optical devices requiring efficient collection of light, including quantum technologies (single-photon collection) or biophotonics (in vivo imaging). Our approach can be extended to other materials and geometries, merging fiber optics with high-index dielectric metasurfaces, allowing for unprecedented functionalities for the efficient control of light.
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