When light interacts with a medium having time-dependent optical properties, numerous optical phenomena arise that are hardly observed in static, linear, non-magnetic optical systems. Because it is challenging to implement rapid and significant variations in the optical properties with conventional bulky configurations, it would be helpful to confine light fields inside optically resonant structures such as optical resonators or waveguides. In particular, metasurface, a two-dimensional optical component consisting of an array of subwavelength scatterers, has drawn a tremendous attention as a future optical platform due to its extreme ability to control light based on the strong light-matter interaction. This dissertation proposes the use of active metasurfaces as effective time-varying media, and explores spectral manipulation techniques enabled with them. By modulating the resonance frequency or the quality factor of the metasurface rapidly over time, Doppler effect-like frequency shift and/or bandwidth manipulation of light are achievable. A feasible experimental scheme for such time-varying metasurfaces is suggested, and the efficacy is verified with numerical simulations.
시간에 따라 광특성이 변화하는 매질과 빛이 상호작용할 때, 정적인 선형 광학에서는 보기 힘든 독특한 현상들이 나타난다. 매질 전체의 광특성을 빠르면서도 큰 폭으로 변화시키는 것은 종래의 덩어리 매질 환경에서 달성하기 어려우므로 빛을 광도파로나 광공진기 등에 결합하여 좁은 공간에 집속하는 방법을 고려할 수 있다. 메타표면은 빛의 파장보다 작은 규모의 구조체를 배열하여 빛과 물질간의 강한 상호작용을 구현할 수 있는 이차원의 광소자로서, 얇은 두께에서 빛 혹은 전자기파를 극한적으로 제어할 수 있는 미래 광학 플랫폼으로 주목을 받고 있다. 본 학위논문은 시간 변화 매질의 구현을 위해 능동적으로 빠르게 변조되는 메타표면을 활용하는 방안에 대해 제시하고, 이를 통해 얻을 수 있는 빛의 주파수 영역 변조기술을 탐구한다. 메타표면의 공진주파수 혹은 품위값을 시간적으로 변조함으로써 도플러효과와 유사한 빛의 주파수 편이와 더불어 대역폭의 변조가 가능함을 이론적으로 보이고 실험적 구현 방법을 제안한다.
