High-resolution dynamic wavefront control has long been a challenge in optics. The metasurface utilizes subwavelength structures, so called metaatoms, enabling control of phase, amplitude, and polarization to overcome the limitations of conventional optical modulators. Modern active metasurfaces have been developed based on phase modulation of the metaatom, but there are significant drawbacks in reconstructing the desired wavefront due to the limitation of simultaneous modulation of phase and amplitude. This problem can cause significant functional degradation in technologies relying on subwavelength spatiotemporal modulation of the complex field such as dynamic holography, high-resolution imaging, optical tweezers, optical memory, optical communications, etc. In this paper, we introduce "metamolecule" which incorporates two metaatoms consisting of metal antennas and graphene plasmonic nanoresonators. The properties of the metamolecule are determined by the Fermi levels of the graphene nanoresonators, and these two control parameters allow for large amplitude modulation as well as full phase modulation. As an intuitive guideline to maximize this complex amplitude modulation, a generalized graphical approach has been developed. In addition, to show the capability of the metamolecular designs, active beam steering and beam focusing are demonstrated by full-wave simulations.
고해상도 능동 파면 제어는 광학 분야에서 오랫동안의 숙원 과제였다. 메타표면은 종래의 광변조기들의 한계를 극복하기 위해, 나노미터 단위의 크기를 가지는 메타원자라는 단위체를 사용한 광변조기의 일종이다. 최신 능동 메타표면은 메타원자의 위상 변조 기능을 기반으로 구동되어 왔으나, 위상과 진폭 변조를 동시에 하지 못하는 한계 때문에 원하는 파면을 재구성함에 있어 상당한 결점이 있었다. 이러한 문제는 파장보다 작은 크기에서의 복소장의 시공간적 변조를 통해 이루어지는 능동 홀로그래피, 고해상도 이미징, 광 핀셋, 광 메모리, 광통신 등의 기술에 심각한 기능 저하를 야기할 수 있다. 이 논문에서는 금속 안테나와 그래핀 플라즈모닉 나노 공진기로 이루어진 메타원자들을 결합한 메타분자를 소개한다. 메타분자의 특성은 이를 구성하는 그래핀 나노 공진기의 페르미 준위에 의해 결정되며, 이러한 두 개의 조절 변수를 통해 완전한 위상 변조 뿐만 아니라 큰 범위의 진폭 변조를 독립적으로 수행할 수 있다. 이러한 복소 반사 계수 변조를 최대화하기 위해 필요한 직관적인 가이드라인으로, 일반화된 도식적 접근 방법을 개발하였다. 또, 메타분자 설계의 확장성을 보이기 위해, 능동 빔 스티어링과 빔 포커싱을 전파 시뮬레이션으로 구현하였다.
