Abstract

We demonstrate controllable light deflection in thick metal gratings with periodic subwavelength slits filled with an active material. Under specific illumination conditions, the grating becomes nearly transparent and acts as a uniform optical phased-array antenna where the phase of the radiating elements is controlled by modifying the index of refraction of the material that fills each slit. The beam-steering operational regime occurs in a wide wavelength band, and it is relatively insensitive to the input angle.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
    [CrossRef]
  2. T. C. Cheston and J. Frank, in Radar Handbook, 2nd ed., M. I. Skolnik, ed. (McGraw-Hill, 1990).
  3. R. A. Meyer, Appl. Opt. 11, 613 (1972).
    [CrossRef]
  4. Y. Ninomiya, IEEE J. Quantum Electron. 9, 791 (1973).
    [CrossRef]
  5. F. Vasey, F. K. Reinhart, R. Houdré, and J. M. Stauffer, Appl. Opt. 32, 3220 (1993).
    [CrossRef]
  6. N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
    [CrossRef]
  7. D. C. Adams, S. Thongrattanasiri, T. Ribaudo, V. A. Podolskiy, and D. Wasserman, Appl. Phys. Lett. 96, 201112 (2010).
    [CrossRef]
  8. D. R. Jackson, J. Chen, R. Qiang, F. Capolino, and A. A. Oliner, Opt. Express 16, 21271 (2008).
    [CrossRef]
  9. J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T. W. Ebbesen, and L. Kuipers, Rev. Mod. Phys. 82, 729 (2010).
    [CrossRef]
  10. D. de Ceglia, M. A. Vincenti, M. Scalora, N. Akozbek, and M. J. Bloemer, AIP Advances 1, 032151 (2011).
    [CrossRef]
  11. A. Alu’, G. D’Aguanno, N. Mattiucci, and M. J. Bloemer, Phys. Rev. Lett. 106, 123902 (2011).
    [CrossRef]
  12. E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids(Academic, 1985).
  13. J. A. Porto, F. J. Garcia-Vidal, and J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999).
    [CrossRef]
  14. M. Kang, Y. Li, K. Lou, S.-M. Li, Q. Bai, J. Chen, and H.-T. Wang, J. Appl. Phys. 107, 053108 (2010).
    [CrossRef]
  15. J. Shin, J.-T. Shen, P. B. Catrysse, and S. Fan, IEEE J. Sel. Top. Quant. 12, 1116 (2006).
    [CrossRef]

2011 (2)

D. de Ceglia, M. A. Vincenti, M. Scalora, N. Akozbek, and M. J. Bloemer, AIP Advances 1, 032151 (2011).
[CrossRef]

A. Alu’, G. D’Aguanno, N. Mattiucci, and M. J. Bloemer, Phys. Rev. Lett. 106, 123902 (2011).
[CrossRef]

2010 (3)

M. Kang, Y. Li, K. Lou, S.-M. Li, Q. Bai, J. Chen, and H.-T. Wang, J. Appl. Phys. 107, 053108 (2010).
[CrossRef]

J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T. W. Ebbesen, and L. Kuipers, Rev. Mod. Phys. 82, 729 (2010).
[CrossRef]

D. C. Adams, S. Thongrattanasiri, T. Ribaudo, V. A. Podolskiy, and D. Wasserman, Appl. Phys. Lett. 96, 201112 (2010).
[CrossRef]

2008 (2)

D. R. Jackson, J. Chen, R. Qiang, F. Capolino, and A. A. Oliner, Opt. Express 16, 21271 (2008).
[CrossRef]

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

2006 (1)

J. Shin, J.-T. Shen, P. B. Catrysse, and S. Fan, IEEE J. Sel. Top. Quant. 12, 1116 (2006).
[CrossRef]

1999 (1)

J. A. Porto, F. J. Garcia-Vidal, and J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999).
[CrossRef]

1996 (1)

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

1993 (1)

1973 (1)

Y. Ninomiya, IEEE J. Quantum Electron. 9, 791 (1973).
[CrossRef]

1972 (1)

Adams, D. C.

D. C. Adams, S. Thongrattanasiri, T. Ribaudo, V. A. Podolskiy, and D. Wasserman, Appl. Phys. Lett. 96, 201112 (2010).
[CrossRef]

Akozbek, N.

D. de Ceglia, M. A. Vincenti, M. Scalora, N. Akozbek, and M. J. Bloemer, AIP Advances 1, 032151 (2011).
[CrossRef]

Alu’, A.

A. Alu’, G. D’Aguanno, N. Mattiucci, and M. J. Bloemer, Phys. Rev. Lett. 106, 123902 (2011).
[CrossRef]

Bai, Q.

M. Kang, Y. Li, K. Lou, S.-M. Li, Q. Bai, J. Chen, and H.-T. Wang, J. Appl. Phys. 107, 053108 (2010).
[CrossRef]

Bloemer, M. J.

A. Alu’, G. D’Aguanno, N. Mattiucci, and M. J. Bloemer, Phys. Rev. Lett. 106, 123902 (2011).
[CrossRef]

D. de Ceglia, M. A. Vincenti, M. Scalora, N. Akozbek, and M. J. Bloemer, AIP Advances 1, 032151 (2011).
[CrossRef]

Capasso, F.

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

Capolino, F.

Catrysse, P. B.

J. Shin, J.-T. Shen, P. B. Catrysse, and S. Fan, IEEE J. Sel. Top. Quant. 12, 1116 (2006).
[CrossRef]

Chen, J.

M. Kang, Y. Li, K. Lou, S.-M. Li, Q. Bai, J. Chen, and H.-T. Wang, J. Appl. Phys. 107, 053108 (2010).
[CrossRef]

D. R. Jackson, J. Chen, R. Qiang, F. Capolino, and A. A. Oliner, Opt. Express 16, 21271 (2008).
[CrossRef]

Cheston, T. C.

T. C. Cheston and J. Frank, in Radar Handbook, 2nd ed., M. I. Skolnik, ed. (McGraw-Hill, 1990).

Corkum, D. L.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

D’Aguanno, G.

A. Alu’, G. D’Aguanno, N. Mattiucci, and M. J. Bloemer, Phys. Rev. Lett. 106, 123902 (2011).
[CrossRef]

de Ceglia, D.

D. de Ceglia, M. A. Vincenti, M. Scalora, N. Akozbek, and M. J. Bloemer, AIP Advances 1, 032151 (2011).
[CrossRef]

Diehl, L.

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

Dorschner, T. A.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Ebbesen, T. W.

J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T. W. Ebbesen, and L. Kuipers, Rev. Mod. Phys. 82, 729 (2010).
[CrossRef]

Edamura, T.

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

Fan, J.

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

Fan, S.

J. Shin, J.-T. Shen, P. B. Catrysse, and S. Fan, IEEE J. Sel. Top. Quant. 12, 1116 (2006).
[CrossRef]

Frank, J.

T. C. Cheston and J. Frank, in Radar Handbook, 2nd ed., M. I. Skolnik, ed. (McGraw-Hill, 1990).

Friedman, L. J.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Garcia-Vidal, F. J.

J. A. Porto, F. J. Garcia-Vidal, and J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999).
[CrossRef]

Garcia-Vidal, J.

J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T. W. Ebbesen, and L. Kuipers, Rev. Mod. Phys. 82, 729 (2010).
[CrossRef]

Hobbs, D. S.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Holz, M.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Houdré, R.

Jackson, D. R.

Kan, H.

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

Kang, M.

M. Kang, Y. Li, K. Lou, S.-M. Li, Q. Bai, J. Chen, and H.-T. Wang, J. Appl. Phys. 107, 053108 (2010).
[CrossRef]

Kuipers, L.

J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T. W. Ebbesen, and L. Kuipers, Rev. Mod. Phys. 82, 729 (2010).
[CrossRef]

Li, S.-M.

M. Kang, Y. Li, K. Lou, S.-M. Li, Q. Bai, J. Chen, and H.-T. Wang, J. Appl. Phys. 107, 053108 (2010).
[CrossRef]

Li, Y.

M. Kang, Y. Li, K. Lou, S.-M. Li, Q. Bai, J. Chen, and H.-T. Wang, J. Appl. Phys. 107, 053108 (2010).
[CrossRef]

Liberman, S.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Lou, K.

M. Kang, Y. Li, K. Lou, S.-M. Li, Q. Bai, J. Chen, and H.-T. Wang, J. Appl. Phys. 107, 053108 (2010).
[CrossRef]

Martin-Moreno, L.

J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T. W. Ebbesen, and L. Kuipers, Rev. Mod. Phys. 82, 729 (2010).
[CrossRef]

Mattiucci, N.

A. Alu’, G. D’Aguanno, N. Mattiucci, and M. J. Bloemer, Phys. Rev. Lett. 106, 123902 (2011).
[CrossRef]

McManamon, P. F.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Meyer, R. A.

Nguyen, H. Q.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Ninomiya, Y.

Y. Ninomiya, IEEE J. Quantum Electron. 9, 791 (1973).
[CrossRef]

Oliner, A. A.

Palik, E. D.

E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids(Academic, 1985).

Pendry, J. B.

J. A. Porto, F. J. Garcia-Vidal, and J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999).
[CrossRef]

Pflügl, C.

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

Podolskiy, V. A.

D. C. Adams, S. Thongrattanasiri, T. Ribaudo, V. A. Podolskiy, and D. Wasserman, Appl. Phys. Lett. 96, 201112 (2010).
[CrossRef]

Porto, J. A.

J. A. Porto, F. J. Garcia-Vidal, and J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999).
[CrossRef]

Qiang, R.

Reinhart, F. K.

Resler, D. P.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Ribaudo, T.

D. C. Adams, S. Thongrattanasiri, T. Ribaudo, V. A. Podolskiy, and D. Wasserman, Appl. Phys. Lett. 96, 201112 (2010).
[CrossRef]

Scalora, M.

D. de Ceglia, M. A. Vincenti, M. Scalora, N. Akozbek, and M. J. Bloemer, AIP Advances 1, 032151 (2011).
[CrossRef]

Sharp, R. C.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Shen, J.-T.

J. Shin, J.-T. Shen, P. B. Catrysse, and S. Fan, IEEE J. Sel. Top. Quant. 12, 1116 (2006).
[CrossRef]

Shin, J.

J. Shin, J.-T. Shen, P. B. Catrysse, and S. Fan, IEEE J. Sel. Top. Quant. 12, 1116 (2006).
[CrossRef]

Stauffer, J. M.

Thongrattanasiri, S.

D. C. Adams, S. Thongrattanasiri, T. Ribaudo, V. A. Podolskiy, and D. Wasserman, Appl. Phys. Lett. 96, 201112 (2010).
[CrossRef]

Vasey, F.

Vincenti, M. A.

D. de Ceglia, M. A. Vincenti, M. Scalora, N. Akozbek, and M. J. Bloemer, AIP Advances 1, 032151 (2011).
[CrossRef]

Wang, H.-T.

M. Kang, Y. Li, K. Lou, S.-M. Li, Q. Bai, J. Chen, and H.-T. Wang, J. Appl. Phys. 107, 053108 (2010).
[CrossRef]

Wang, Q. J.

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

Wasserman, D.

D. C. Adams, S. Thongrattanasiri, T. Ribaudo, V. A. Podolskiy, and D. Wasserman, Appl. Phys. Lett. 96, 201112 (2010).
[CrossRef]

Watson, E. A.

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Yamanishi, M.

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

Yu, N.

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

AIP Advances (1)

D. de Ceglia, M. A. Vincenti, M. Scalora, N. Akozbek, and M. J. Bloemer, AIP Advances 1, 032151 (2011).
[CrossRef]

Appl. Opt. (2)

Appl. Phys. Lett. (1)

D. C. Adams, S. Thongrattanasiri, T. Ribaudo, V. A. Podolskiy, and D. Wasserman, Appl. Phys. Lett. 96, 201112 (2010).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron. (1)

Y. Ninomiya, IEEE J. Quantum Electron. 9, 791 (1973).
[CrossRef]

IEEE J. Sel. Top. Quant. (1)

J. Shin, J.-T. Shen, P. B. Catrysse, and S. Fan, IEEE J. Sel. Top. Quant. 12, 1116 (2006).
[CrossRef]

J. Appl. Phys. (1)

M. Kang, Y. Li, K. Lou, S.-M. Li, Q. Bai, J. Chen, and H.-T. Wang, J. Appl. Phys. 107, 053108 (2010).
[CrossRef]

Nat. Photon. (1)

N. Yu, J. Fan, Q. J. Wang, C. Pflügl, L. Diehl, T. Edamura, M. Yamanishi, H. Kan, and F. Capasso, Nat. Photon. 2, 564 (2008).
[CrossRef]

Opt. Express (1)

Phys. Rev. Lett. (2)

J. A. Porto, F. J. Garcia-Vidal, and J. B. Pendry, Phys. Rev. Lett. 83, 2845 (1999).
[CrossRef]

A. Alu’, G. D’Aguanno, N. Mattiucci, and M. J. Bloemer, Phys. Rev. Lett. 106, 123902 (2011).
[CrossRef]

Proc. IEEE (1)

P. F. McManamon, T. A. Dorschner, D. L. Corkum, L. J. Friedman, D. S. Hobbs, M. Holz, S. Liberman, H. Q. Nguyen, D. P. Resler, R. C. Sharp, and E. A. Watson, Proc. IEEE 84, 268 (1996).
[CrossRef]

Rev. Mod. Phys. (1)

J. Garcia-Vidal, L. Martin-Moreno, T. W. Ebbesen, and L. Kuipers, Rev. Mod. Phys. 82, 729 (2010).
[CrossRef]

Other (2)

T. C. Cheston and J. Frank, in Radar Handbook, 2nd ed., M. I. Skolnik, ed. (McGraw-Hill, 1990).

E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids(Academic, 1985).

Supplementary Material (2)

» Media 1: MOV (264 KB)     
» Media 2: MOV (693 KB)     

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

Transmission of a silver grating under TM polarization as a function of the incidence angle and wavelength.

Fig. 2.
Fig. 2.

Transmission at 1250 nm as a function of the incidence angle and refractive index of the lossless medium inside the slits. Inset, amplitude and phase of transmission as a function of the refractive index inside the slits at 80°.

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Analogy between an RF phased-array antenna beam steering and (b) metallic grating infiltrated with LC operating as an optical beam-steerer.

Fig. 4.
Fig. 4.

Far-field evolution and output angle θout of the steered beam as a function of the index change between adjacent slits Δni,i+1. Animations of the far field and magnetic field at the exit of the grating are shown in Media 1 and Media 2, respectively, varying Δni,i+1 in the range 0–0.009. The black arrows in Media 2 represent the Poynting vector’s magnitude and direction.

Metrics