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Ultrathin and multicolour optical cavities with embedded metasurfaces

光学 光电子学 光子学 干涉测量 嵌入 材料科学 纳米尺度 波长 物理 计算机科学 纳米技术 人工智能
作者
Amr M. Shaltout,Jongbum Kim,Alexandra Boltasseva,Vladimir M. Shalaev,Alexander V. Kildishev
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:9 (1) 被引量:122
标识
DOI:10.1038/s41467-018-05034-6
摘要

Over the past years, photonic metasurfaces have demonstrated their remarkable and diverse capabilities for achieving advanced control over light propagation by confining electromagnetic radiation within the deeply subwavelength thickness of these artificial films. Here, we demonstrate that metasurfaces also offer new unparalleled capabilities for decreasing the overall dimensions of integrated optical components and systems. We propose an original approach of embedding a metasurface inside one of the most fundamental optical elements -an optical cavity- to drastically scale-down the thickness of the optical cavity. We apply this methodology to design and implement a metasurfaces-based nano-cavity where the Fabry-Perot interferometric principle has been modified to reduce the cavity thickness below the conventional half-wavelength minimum. In addition, the nano-cavities with embedded metasurfaces can support independently tunable resonances at multiple bands. As a proof-of-concept, using nano-structured metasurfaces within 100-nm nano-cavities, we experimentally demonstrate high spatial resolution color filtering and spectral imaging. The proposed approach can be extrapolated to compact integrated optical systems on-a-chip such as VCSEL, high-resolution spatial light modulators, imaging spectroscopy systems, and bio-sensors.
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