فراسطح های موج نشتی: یک رابط عالی بین فضای آزاد و سیستم های نوری یکپارچه

فراسطح های موج نشتی: یک رابط عالی بین فضای آزاد و سیستم های نوری یکپارچه

تمبر زمان: 8 مه 2023، 11:18 صبح
گره منبع: 2637426
08 مه 2023 (اخبار نانوورک) 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 (نانوتکنولوژی طبیعت, “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. فراسطح موج نشتی 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.”

پل زدن اپتیک فضای آزاد و فوتونیک یکپارچه

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.” فراسطح های موج نشتی برای تولید شبکه های Kagome شکل 2. سمت چپ: عکس دو فراسطح موج نشتی برای تولید شبکه های Kagome. سمت راست: تصویر SEM بخشی از یک فراسطح با موج نشتی، که از دیافراگم های نانو تشکیل شده است که در یک لایه پلیمری در بالای یک لایه نازک نیترید سیلیکون حک شده است. (تصویر: Heqing Huang، Adam Overvig، و Nanfang Yu/Columbia Engineering)

از اپتیک کوانتومی گرفته تا ارتباطات نوری تا نمایشگرهای سه بعدی هولوگرافیک

تیم یو به طور تجربی چند موج نشتی را نشان داد فراسطح ها که می تواند یک حالت موجبر منتشر شده در امتداد یک موجبر با مقطع عرضی به ترتیب یک طول موج را به انتشار فضای آزاد با یک جبهه موج طراح در منطقه ای حدود 300 برابر طول موج در طول موج مخابراتی 1.55 میکرون تبدیل کند. این شامل: فلزی با موج نشتی که یک نقطه کانونی در فضای آزاد ایجاد می کند. چنین دستگاهی برای ایجاد یک پیوند نوری فضای آزاد کم تلفات و ظرفیت بالا بین تراشه های PIC ایده آل خواهد بود. همچنین برای یک کاوشگر اپتوژنتیک یکپارچه که پرتوهای متمرکزی را برای تحریک نوری نورون‌هایی که در دورتر از کاوشگر قرار دارند تولید می‌کند، مفید خواهد بود. یک مولد شبکه نوری با موج نشتی که می تواند صدها نقطه کانونی ایجاد کند که یک الگوی شبکه کاگوم را در فضای آزاد تشکیل می دهد. به طور کلی، فراسطح موج نشتی می‌تواند شبکه‌های نوری پیچیده غیرپریودیک و سه‌بعدی برای به دام انداختن اتم‌ها و مولکول‌های سرد تولید کند. این قابلیت محققان را قادر می‌سازد تا پدیده‌های نوری کوانتومی عجیب و غریب را مطالعه کنند یا شبیه‌سازی‌های کوانتومی را انجام دهند که تاکنون به راحتی با پلتفرم‌های دیگر قابل دستیابی نبوده‌اند و آنها را قادر می‌سازد تا پیچیدگی، حجم و هزینه دستگاه‌های کوانتومی مبتنی بر آرایه اتمی را به‌طور قابل‌توجهی کاهش دهند. به عنوان مثال، فراسطح موج نشتی می‌تواند مستقیماً در محفظه خلاء ادغام شود تا سیستم نوری را ساده کند و کاربردهای اپتیک کوانتومی قابل حمل مانند ساعت‌های اتمی را امکان‌پذیر کند. یک مولد پرتو گردابی با موج نشتی که پرتویی با جبهه موجی به شکل چوب پنبه ای تولید می کند. این می تواند منجر به یک پیوند نوری فضای آزاد بین ساختمان ها شود که برای پردازش اطلاعات حمل شده توسط نور به PIC ها متکی هستند، در حالی که از امواج نور با جبهه موج های شکل برای ارتباطات داخلی با ظرفیت بالا نیز استفاده می کنند. یک هولوگرام موج نشتی که می تواند چهار تصویر مجزا را به طور همزمان جابجا کند: دو تصویر در صفحه دستگاه (در دو حالت قطبش متعامد) و دو تصویر دیگر در فاصله ای در فضای آزاد (همچنین در دو حالت قطبش متعامد). از این عملکرد می توان برای ساخت عینک های واقعیت افزوده سبک تر و راحت تر و نمایشگرهای سه بعدی هولوگرافیک واقعی تر استفاده کرد. دو تصویر هولوگرافیک تولید شده توسط یک متاسطح موج نشتی در دو فاصله متفاوت از سطح دستگاه شکل 3. دو شکل سمت چپ: دو تصویر هولوگرافیک تولید شده توسط یک فراسطح موج نشت کننده در دو فاصله متفاوت از سطح دستگاه. چهار شکل سمت راست: چهار تصویر هولوگرافی مجزا که توسط یک فراسطح موج نشتی در دو فاصله متفاوت از سطح دستگاه و در دو حالت قطبش متعامد تولید می‌شوند. (تصویر: Heqing Huang، Adam Overvig، و Nanfang Yu/Columbia Engineering)

ساخت دستگاه

ساخت دستگاه در اتاق تمیز ابتکار نانو کلمبیا و در مرکز تحقیقات علمی پیشرفته مرکز ساخت نانو در مرکز فارغ التحصیلان دانشگاه سیتی نیویورک انجام شد.

مراحل بعدی

نمایش فعلی یو مبتنی بر یک پلت فرم مواد پلیمری-سیلیسیم نیترید ساده در طول موج های نزدیک به فروسرخ است. تیم او قصد دارد دستگاه‌های مبتنی بر پلت‌فرم نیترید سیلیکون قوی‌تر را به نمایش بگذارد که با پروتکل‌های ساخت ریخته‌گری سازگار است و در برابر عملیات قدرت نوری بالا متحمل است. آنها همچنین قصد دارند طرح هایی را برای بازده خروجی بالا و عملکرد در طول موج های مرئی نشان دهند که برای کاربردهایی مانند اپتیک کوانتومی و نمایشگرهای هولوگرافی مناسب تر است.

تمبر زمان:

بیشتر از نانورک