In een nieuwe publicatie van Opto-elektronische vooruitgang , Onderzoekers onder leiding van professor Jinghua Teng van het Institute of Materials Research and Engineering, Agentschap voor Wetenschap, Technologie en Onderzoek (A*STAR), Singapore overweegt ultrahoge extinctie-ratio lichtmodulatie door elektrisch afstembare meta-oppervlakken.

Meta-oppervlakken zijn het tweedimensionale equivalent van metamaterialen, samenstellen van discrete subgolflengtestructuren, met het vermogen van volledige controle over lichteigenschappen, zoals amplitude, fase, spreiding, momentum, en polarisatie. Meta-oppervlakken worden gebruikt in verschillende toepassingen voor elektromagnetische spectra, variërend van microgolf, terahertz, infrarood, zichtbaar, tot ultraviolet. Actieve controle van lichtvoortplanting in zichtbare en nabij-infraroodspectra heeft praktische en fundamentele betekenis in autonome voertuigen, robotten, toont, augmented en virtual reality, consumentenelektronica, telecommunicatie, en detectieapparaten. Om een ​​meta-oppervlak af te stemmen, men kan de eigenschap van de eenheidscellen of de omgeving ervan veranderen. Dit kan worden gedaan door actieve materialen in het meta-oppervlak te gebruiken, waarvan de eigenschappen kunnen worden veranderd door een externe stimulus.

In dit artikel stellen de auteurs een nieuw elektrisch afstembaar meta-oppervlak voor voor de modulatie van gepolariseerd en ongepolariseerd licht. Hier, de verliesgevende aard van indiumtinoxide (ITO) bij epsilon-bijna-nul (ENZ) golflengte wordt gebruikt om een ​​elektrisch afstembare metasurface absorber te ontwerpen. De eenheidscel van het meta-oppervlak is geconstrueerd uit een cirkelvormige resonator bestaande uit twee ITO-schijven en een perovskiet-barium-strontiumtitanaatfilm met een hoge diëlektrische constante. De ENZ-golflengte in de accumulatie- en uitputtingslagen van ITO-schijven wordt geregeld door een enkele voorspanning aan te leggen. De koppeling van magnetische dipoolresonantie met de ENZ-golflengte in de accumulatielaag van ITO-film veroorzaakt totale absorptie van gereflecteerd licht. De reflectie-amplitude kan ~ 84 dB of ~ 99,99% modulatiediepte bereiken in de werkingsgolflengte van 820 nm bij een voorspanning van -2,5 V. Bovendien, het meta-oppervlak is ongevoelig voor de polarisatie van het invallende licht door het cirkelvormige ontwerp van resonatoren en het symmetrische ontwerp van bias-verbindingen.

Lichtmodulatie met hoge snelheid en hoge extinctieverhouding met een laag stroomverbruik bij bijna-infraroodspectrum heeft potentiële toepassingen in veel optische systemen en apparaten, inclusief maar niet beperkt tot optische signaalverwerking, spectroscopie, schakelen, en lichtdetectie en -bereik (LiDAR). Optische chopper en sluiter, de modulator van lithiumniobaat, vloeibare kristaldemper, en foto-elastische modulator behoren tot de in de handel verkrijgbare apparaten om de intensiteit van licht te moduleren. Optische chopper en sluiter maken gebruik van mechanische mechanismen, die langzaam in snelheid en groot in omvang zijn terwijl ze veel stroom verbruiken. Lithiumniobaatmodulator wordt bestuurd door een elektrisch signaal en heeft de hoogste modulatiesnelheid tot 40 GHz, echter, hoogspanning nodig. Foto-elastische modulatoren gebruiken verschillende soorten bulkkristallen voor verschillende operationele golflengten, vereisen een hoge elektrische spanning en extra polarisatoren die hun toepassingen beperken. De sluiter met vloeibare kristallen heeft een zeer lage schakelsnelheid. Het voorgestelde elektrisch afstembare meta-oppervlak maakt gebruik van de verliesgevende aard van indiumtinoxide (ITO) bij een golflengte van epsilon-bijna nul (ENZ) om de intensiteit van gereflecteerd licht te moduleren, die tot ~84 dB of ~99,99% modulatiediepte kan bereiken bij een zeer lage spanning van ±2,5 volt. De metasurface modulator is ongevoelig voor de polarisatie van het invallende licht en dus geschikt voor een compact ontwerp zonder dat er extra polarisatoren nodig zijn. Bovendien, het elektrisch afstembare meta-oppervlak met dubbel ITO-filmontwerp kan werken met gigahertz-commutatiesnelheden.