Μεταεπιφάνειες διαρροών κυμάτων: Μια τέλεια διεπαφή μεταξύ ελεύθερου χώρου και ενσωματωμένων οπτικών συστημάτων

08 Μαΐου 2023 (Ειδήσεις 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 (Φύση Νανοτεχνολογία, “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. 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.”

Γεφύρωση οπτικής ελεύθερου χώρου και ολοκληρωμένης φωτονικής

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.” Εικόνα 2. Αριστερά: Φωτογραφία δύο μεταεπιφανειών διαρροών κυμάτων για τη δημιουργία δικτυωμάτων Kagome. Δεξιά: Εικόνα SEM ενός τμήματος μιας μεταεπιφάνειας με διαρροή κυμάτων, η οποία αποτελείται από νανο-οπές χαραγμένες σε ένα στρώμα πολυμερούς πάνω από ένα λεπτό φιλμ νιτριδίου του πυριτίου. (Εικόνα: Heqing Huang, Adam Overvig και Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Από κβαντική οπτική έως οπτικές επικοινωνίες έως ολογραφικές 3D οθόνες

Η ομάδα του Yu έδειξε πειραματικά πολλαπλά κύμα διαρροής μετα-επιφάνειες που μπορεί να μετατρέψει έναν τρόπο κυματοδηγού που διαδίδεται κατά μήκος ενός κυματοδηγού με διατομή της τάξης του ενός μήκους κύματος σε εκπομπή ελεύθερου χώρου με ένα μέτωπο κύματος σχεδιαστή σε μια περιοχή περίπου 300 φορές το μήκος κύματος στο μήκος κύματος των τηλεπικοινωνιών 1.55 microns. Αυτά περιλαμβάνουν: Ένα μεταλλικό κύμα διαρροής που παράγει ένα εστιακό σημείο στον ελεύθερο χώρο. Μια τέτοια συσκευή θα είναι ιδανική για τη δημιουργία μιας οπτικής σύνδεσης ελεύθερου χώρου χαμηλής απώλειας και υψηλής χωρητικότητας μεταξύ των τσιπ PIC. Θα είναι επίσης χρήσιμο για έναν ενσωματωμένο οπτογενετικό ανιχνευτή που παράγει εστιασμένες δέσμες για την οπτική διέγερση των νευρώνων που βρίσκονται πολύ μακριά από τον ανιχνευτή. Μια γεννήτρια οπτικού πλέγματος διαρροών κυμάτων που μπορεί να παράγει εκατοντάδες εστιακά σημεία που σχηματίζουν ένα μοτίβο πλέγματος Kagome σε ελεύθερο χώρο. Γενικά, η μεταεπιφάνεια με διαρροές κύματος μπορεί να παράγει πολύπλοκα απεριοδικά και τρισδιάστατα οπτικά πλέγματα για να παγιδεύουν ψυχρά άτομα και μόρια. Αυτή η ικανότητα θα επιτρέψει στους ερευνητές να μελετήσουν εξωτικά κβαντικά οπτικά φαινόμενα ή να πραγματοποιήσουν κβαντικές προσομοιώσεις που μέχρι τώρα δεν ήταν εύκολα εφικτές με άλλες πλατφόρμες και θα τους επιτρέψει να μειώσουν σημαντικά την πολυπλοκότητα, τον όγκο και το κόστος των κβαντικών συσκευών που βασίζονται σε ατομική συστοιχία. Για παράδειγμα, η μετα-επιφάνεια κύματος διαρροής θα μπορούσε να ενσωματωθεί απευθείας στον θάλαμο κενού για να απλοποιήσει το οπτικό σύστημα, καθιστώντας μια δυνατότητα φορητών εφαρμογών κβαντικής οπτικής, όπως τα ατομικά ρολόγια. Μια γεννήτρια δέσμης δίνης με διαρροές κυμάτων που παράγει μια δέσμη με μέτωπο κύματος σε σχήμα τιρμπουσόν. Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια οπτική σύνδεση ελεύθερου χώρου μεταξύ κτιρίων που βασίζεται σε PIC για την επεξεργασία πληροφοριών που μεταφέρονται από το φως, ενώ χρησιμοποιεί επίσης κύματα φωτός με διαμορφωμένα μέτωπα κύματος για ενδοεπικοινωνία υψηλής χωρητικότητας. Ένα ολόγραμμα διαρροών κυμάτων που μπορεί να μετατοπίσει τέσσερις διακριτές εικόνες ταυτόχρονα: δύο στο επίπεδο της συσκευής (σε δύο ορθογώνιες καταστάσεις πόλωσης) και άλλες δύο σε απόσταση στον ελεύθερο χώρο (επίσης σε δύο καταστάσεις ορθογώνιας πόλωσης). Αυτή η λειτουργία θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να κάνει ελαφρύτερα, πιο άνετα γυαλιά επαυξημένης πραγματικότητας και πιο ρεαλιστικές ολογραφικές οθόνες 3D. Εικόνα 3. Αριστερά δύο σχήματα: Δύο ολογραφικές εικόνες που παράγονται από μια μεταεπιφάνεια με διαρροή κύματος σε δύο διαφορετικές αποστάσεις από την επιφάνεια της συσκευής. Δεξιά τέσσερα σχήματα: Τέσσερις διακριτές ολογραφικές εικόνες που παράγονται από μια ενιαία μεταεπιφάνεια κύματος διαρροής σε δύο διαφορετικές αποστάσεις από την επιφάνεια της συσκευής και σε δύο καταστάσεις ορθογώνιας πόλωσης. (Εικόνα: Heqing Huang, Adam Overvig και Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Κατασκευή συσκευής

Η κατασκευή συσκευών πραγματοποιήθηκε στο καθαρό δωμάτιο Columbia Nano Initiative και στο Advanced Science Research Center NanoFabrication Facility στο Graduate Center του City University of New York.

Τα επόμενα βήματα

Η τρέχουσα επίδειξη του Yu βασίζεται σε μια απλή πλατφόρμα υλικών πολυμερούς-νιτριδίου πυριτίου σε μήκη κύματος κοντά στο υπέρυθρο. Η ομάδα του σχεδιάζει στη συνέχεια να επιδείξει συσκευές που βασίζονται στην πιο στιβαρή πλατφόρμα νιτριδίου του πυριτίου, η οποία είναι συμβατή με πρωτόκολλα κατασκευής χυτηρίου και ανεκτική σε λειτουργία υψηλής οπτικής ισχύος. Σκοπεύουν επίσης να επιδείξουν σχέδια για υψηλή απόδοση εξόδου και λειτουργία σε ορατά μήκη κύματος, τα οποία είναι πιο κατάλληλα για εφαρμογές όπως η κβαντική οπτική και οι ολογραφικές οθόνες.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• Minting the Future με την Adryenn Ashley. Πρόσβαση εδώ.
• Αγορά και πώληση μετοχών σε εταιρείες PRE-IPO με το PREIPO®. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62957.php