أسطح الموجات المتسربة: واجهة مثالية بين الفضاء الحر والأنظمة البصرية المتكاملة

أسطح الموجات المتسربة: واجهة مثالية بين الفضاء الحر والأنظمة البصرية المتكاملة

الطابع الزمني: 8 مايو 2023 11:18 صباحًا
عقدة المصدر: 2637426
08 مايو 2023 (أخبار Nanowerk) Researchers at Columbia Engineering have developed a new class of integrated photonic devices–“leaky-wave metasurfaces”–that can convert light initially confined in an optical waveguide to an arbitrary optical pattern in free space (طبيعة التكنولوجيا النانوية, “Leaky-wave metasurfaces for integrated photonics”). These devices are the first to demonstrate simultaneous control of all four optical degrees of freedom, namely, amplitude, phase, polarization ellipticity, and polarization orientation–a world record. Because the devices are so thin, transparent, and compatible with photonic integrated circuits (PICs), they can be used to improve optical displays, LIDAR (Light Detection and Ranging), optical communications, and quantum optics. سطح الموجة المتسربة Figure 1. Left: Schematic showing the operation of a leaky-wave metasurface. Right: A 2D array of optical spots forming a Kagome pattern that is produced by a leaky-wave metasurface. (Image: Heqing Huang, Adam Overvig, and Nanfang Yu/Columbia Engineering) “We are excited to find an elegant solution for interfacing free-space optics and integrated photonics–these two platforms have traditionally been studied by investigators from different subfields of optics and have led to commercial products addressing completely different needs,” said Nanfang Yu, associate professor of applied physics and applied mathematics who is a leader in research on nanophotonic devices. “Our work points to new ways to create hybrid systems that utilize the best of both worlds–free-space optics for shaping the wavefront of light and integrated photonics for optical data processing–to address many emerging applications such as quantum optics, optogenetics, sensor networks, inter-chip communications, and holographic displays.”

سد بصريات الفضاء الحر والضوئيات المتكاملة

The key challenge of interfacing PICs and free-space optics is to transform a simple waveguide mode confined within a waveguide–a thin ridge defined on a chip–into a broad free-space wave with a complex wavefront, and vice versa. Yu’s team tackled this challenge by building on their invention last fall of “nonlocal metasurfaces” and extended the devices’ functionality from controlling free-space light waves to controlling guided waves. Specifically, they expanded the input waveguide mode by using a waveguide taper into a slab waveguide mode–a sheet of light propagating along the chip. “We realized that the slab waveguide mode can be decomposed into two orthogonal standing waves–waves reminiscent of those produced by plucking a string,” said Heqing Huang, a PhD student in Yu’s lab and co-first author of the study, published today in Nature Nanotechnology. “Therefore, we designed a ‘leaky-wave metasurface’ composed of two sets of rectangular apertures that have a subwavelength offset from each other to independently control these two standing waves. The result is that each standing wave is converted into a surface emission with independent amplitude and polarization; together, the two surface emission components merge into a single free-space wave with completely controllable amplitude, phase, and polarization at each point over its wavefront.” أسطح موجة متسربة لتوليد شبكات Kagome الشكل 2. على اليسار: صورة لسطحين من الموجات المتسربة لتوليد شبكات Kagome. على اليمين: صورة SEM لجزء من سطح الموجة المتسرب، والذي يتكون من فتحات نانوية محفورة في طبقة بوليمر أعلى طبقة رقيقة من نيتريد السيليكون. (الصورة: هيكينج هوانج، وآدم أوفرفيج، ونانفانج يو / هندسة كولومبيا)

من البصريات الكمومية إلى الاتصالات البصرية إلى شاشات العرض الثلاثية الأبعاد

أظهر فريق يو بشكل تجريبي موجات تسرب متعددة الأسطح يمكنها تحويل وضع الدليل الموجي المنتشر على طول الدليل الموجي بمقطع عرضي بترتيب طول موجي واحد إلى انبعاث في الفضاء الحر مع واجهة موجة مصممة على مساحة تبلغ حوالي 300 ضعف الطول الموجي عند الطول الموجي للاتصالات البالغ 1.55 ميكرون. وتشمل هذه: موجة معدنية متسربة تنتج نقطة محورية في الفضاء الحر. سيكون مثل هذا الجهاز مثاليًا لتشكيل وصلة ضوئية منخفضة الخسارة وعالية السعة في الفضاء الحر بين شرائح الموافقة المسبقة عن علم؛ سيكون مفيدًا أيضًا للمسبار البصري المتكامل الذي ينتج حزمًا مركزة لتحفيز الخلايا العصبية الموجودة بعيدًا عن المسبار بصريًا. مولد شبكي بصري ذو موجة متسربة يمكنه إنتاج مئات من النقاط البؤرية التي تشكل نمطًا شبكيًا Kagome في المساحة الحرة. بشكل عام، يمكن لسطح الموجة المتسرب أن ينتج شبكات بصرية معقدة غير دورية وثلاثية الأبعاد لاحتجاز الذرات والجزيئات الباردة. ستمكن هذه القدرة الباحثين من دراسة الظواهر البصرية الكمومية الغريبة أو إجراء عمليات محاكاة كمومية لا يمكن تحقيقها بسهولة حتى الآن باستخدام منصات أخرى، وتمكنهم من تقليل تعقيد وحجم وتكلفة الأجهزة الكمومية القائمة على المصفوفة الذرية بشكل كبير. على سبيل المثال، يمكن دمج سطح الموجة المتسرب مباشرةً في الحجرة المفرغة لتبسيط النظام البصري، مما يجعل تطبيقات البصريات الكمومية المحمولة، مثل الساعات الذرية، أمرًا ممكنًا. مولد شعاع دوامي ذو موجة متسربة ينتج شعاعًا بواجهة موجية على شكل لولبي. يمكن أن يؤدي هذا إلى إنشاء رابط بصري في الفضاء الحر بين المباني التي تعتمد على صور PIC لمعالجة المعلومات التي يحملها الضوء، مع استخدام أيضًا موجات ضوئية ذات واجهات موجية مُشكلة للاتصالات الداخلية عالية السعة. صورة ثلاثية الأبعاد للموجة المتسربة يمكنها إزاحة أربع صور متميزة في وقت واحد: اثنتان على مستوى الجهاز (في حالتين من الاستقطاب المتعامد) واثنتان أخريان على مسافة في الفضاء الحر (أيضًا في حالتين من الاستقطاب المتعامد). يمكن استخدام هذه الوظيفة لصنع نظارات واقع معزز أخف وزنًا وأكثر راحة وشاشات عرض ثلاثية الأبعاد أكثر واقعية. صورتان ثلاثيتان الأبعاد تم إنتاجهما بواسطة سطح موجة متسرب على مسافة مختلفة من سطح الجهاز الشكل 3. الشكلان الأيسران: صورتان ثلاثيتان الأبعاد تم إنتاجهما بواسطة سطح موجة متسرب على مسافتين مختلفتين من سطح الجهاز. الأشكال الأربعة اليمنى: أربع صور ثلاثية الأبعاد متميزة تم إنتاجها بواسطة سطح موجة واحد متسرب على مسافتين مختلفتين من سطح الجهاز وفي حالتين من الاستقطاب المتعامد. (الصورة: هيكينج هوانج، وآدم أوفرفيج، ونانفانج يو / هندسة كولومبيا)

تصنيع الجهاز

تم تنفيذ تصنيع الأجهزة في غرفة الأبحاث التابعة لمبادرة كولومبيا نانو، وفي مرفق تصنيع النانو التابع لمركز أبحاث العلوم المتقدمة في مركز الدراسات العليا بجامعة مدينة نيويورك.

الخطوات التالية

يعتمد عرض يو الحالي على منصة بسيطة من مواد نيتريد البوليمر والسيليكون بأطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء. ويخطط فريقه بعد ذلك لعرض أجهزة تعتمد على منصة نيتريد السيليكون الأكثر قوة، والتي تتوافق مع بروتوكولات تصنيع المسبك وتتحمل تشغيل الطاقة الضوئية العالية. ويخططون أيضًا لعرض تصميمات ذات كفاءة إنتاجية عالية وتشغيل بأطوال موجية مرئية، وهو أكثر ملاءمة لتطبيقات مثل البصريات الكمومية والشاشات الثلاثية الأبعاد.

الطابع الزمني:

اكثر من نانوويرك