Large-Angle, Multifunctional Metagratings Based on Freeform Multimode Geometries

图像拼接 多模光纤 光子学 光学 纳米光子学 波导管 纳米尺度 光电子学 材料科学 计算机科学 物理 纳米技术 光纤
作者
D. D. Sell,Jianji Yang,Sage Doshay,Rui Yang,Jonathan A. Fan
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:17 (6): 3752-3757 被引量:501
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.7b01082
摘要

We show that silicon-based metagratings capable of large-angle, multifunctional performance can be realized using inverse freeform design. These devices consist of nonintuitive nanoscale patterns and support a large number of spatially overlapping optical modes per unit area. The quantity of modes, in combination with their optimized responses, provides the degrees of freedom required to produce high-efficiency devices. To demonstrate the power and versatility of our approach, we fabricate metagratings that can efficiently deflect light to 75° angles and multifunctional devices that can steer beams to different diffraction orders based on wavelength. A theoretical analysis of the Bloch modes supported by these devices elucidates the spatial mode profiles and coupling dynamics that make high-performance beam deflection possible. This approach represents a new paradigm in nano-optical mode engineering and utilizes different physics from the current state-of-the-art, which is based on the stitching of noninteracting waveguide structures. We envision that inverse design will enable new classes of high-performance photonic systems and new strategies toward the nanoscale control of light fields.
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