Guided mode meta-optics: metasurface-dressed waveguides for arbitrary mode couplers and on-chip OAM emitters with a configurable topological charge

多路复用器 光学 波导管 物理 多路复用 光电子学 拓扑(电路) 计算机科学 电信 电气工程 工程类
作者
Tiantian He,Yuan Meng,Zhoutian Liu,Futai Hu,Rui Wang,Dan Li,Ping Yan,Qiang Liu,Mali Gong,Qirong Xiao
出处
期刊:Optics Express [Optica Publishing Group]
卷期号:29 (24): 39406-39406 被引量:17
标识
DOI:10.1364/oe.443186
摘要

Metasurface has achieved fruitful results in tailoring optical fields in free space. However, a systematic investigation on applying meta-optics to completely control waveguide modes is still elusive. Here we present a comprehensive catalog to selectively and exclusively couple free space light into arbitrary high-order waveguide modes of interest, leveraging silicon metasurface-patterned silicon nitride waveguides. By simultaneously engineering the matched phase gradient of the nanoantennas and the vectorial spatial modal overlap between the antenna near-field and target waveguide mode profile, either single or multiple high-order modes are successfully launched with high purity reaching 98%. Moreover, on-chip twisted light generators are theoretically proposed with configurable OAM topological charge ℓ from -3 to +2. This work may serve as a comprehensive framework for guided mode meta-optics and motivates further applications such as versatile integrated couplers, multiplexers, and mode-division multiplexing-based communication systems.
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