High-Quality-Factor Silicon-on-Lithium Niobate Metasurfaces for Electro-optically Reconfigurable Wavefront Shaping

波前 铌酸锂 光学 材料科学 光电子学 硅上液晶 空间光调制器 分束器 光束转向 反射(计算机编程) 质量(理念) 激光器 物理 梁(结构) 计算机科学 液晶显示器 程序设计语言 量子力学
作者
Elissa Klopfer,Sahil Dagli,David R. Barton,Mark Lawrence,Jennifer A. Dionne
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:22 (4): 1703-1709 被引量:60
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.1c04723
摘要

Dynamically reconfigurable metasurfaces promise compact and lightweight spatial light modulation for many applications, including LiDAR, AR/VR, and LiFi systems. Here, we design and computationally investigate high quality factor silicon-on-lithium niobate metasurfaces with electrically-driven, independent control of its constituent nanobars for full phase tunability with high tuning efficiency. Free-space light couples to guided modes within each nanobar via periodic perturbations, generating quality factors exceeding 30,000, while maintaining bar spacing <$\lambda$/1.5. We achieve nearly 2$\pi$ phase variation with an applied bias not exceeding $\pm$ 25 V, maintaining reflection efficiency above 91%. Using full-field simulations, we demonstrate a high angle, 51\deg, switchable beamsplitter with a diffracted efficiency of 93%, and an angle-tunable beamsteerer, spanning 18-31\deg, with up to 86% efficiency, all using the same metasurface device. Our platform provides a foundation for highly efficient wavefront shaping devices with a wide dynamic tuning range capable of generating nearly any transfer function.
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