Permukaan meta gelombang bocor: Antarmuka sempurna antara ruang bebas dan sistem optik terintegrasi

08 Mei 2023 (Berita 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 (Nanoteknologi Alam, “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.”

Menjembatani optik ruang bebas dan fotonik terintegrasi

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.” Gambar 2. Kiri: Foto dua metasurface gelombang bocor untuk menghasilkan kisi Kagome. Kanan: Gambar SEM dari sebagian permukaan metasurface gelombang bocor, yang terdiri dari lubang nano yang diukir pada lapisan polimer di atas film tipis silikon nitrida. (Gambar: Heqing Huang, Adam Overvig, dan Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Dari optik kuantum hingga komunikasi optik hingga tampilan 3D holografik

Tim Yu secara eksperimental mendemonstrasikan beberapa gelombang bocor permukaan meta yang dapat mengubah mode pandu gelombang yang merambat di sepanjang pandu gelombang dengan penampang satu panjang gelombang menjadi emisi ruang bebas dengan muka gelombang perancang di area sekitar 300 kali panjang gelombang pada panjang gelombang telekomunikasi 1.55 mikron. Ini termasuk: Metalens gelombang bocor yang menghasilkan titik fokus di ruang bebas. Perangkat seperti itu akan ideal untuk membentuk tautan optik ruang bebas dengan kerugian rendah dan berkapasitas tinggi antara chip PIC; ini juga akan berguna untuk probe optogenetik terintegrasi yang menghasilkan sinar terfokus untuk menstimulasi neuron yang terletak jauh dari probe secara optik. Generator kisi optik gelombang bocor yang dapat menghasilkan ratusan titik fokus yang membentuk pola kisi Kagome di ruang bebas. Secara umum, permukaan metasurface gelombang bocor dapat menghasilkan kisi optik aperiodik dan tiga dimensi yang kompleks untuk menjebak atom dan molekul dingin. Kemampuan ini akan memungkinkan para peneliti untuk mempelajari fenomena optik kuantum eksotis atau melakukan simulasi kuantum yang sampai sekarang tidak mudah dicapai dengan platform lain, dan memungkinkan mereka mengurangi secara signifikan kompleksitas, volume, dan biaya perangkat kuantum berbasis susunan atom. Misalnya, permukaan metasurface gelombang bocor dapat langsung diintegrasikan ke dalam ruang vakum untuk menyederhanakan sistem optik, sehingga memungkinkan aplikasi optik kuantum portabel, seperti jam atom. Generator berkas pusaran gelombang bocor yang menghasilkan berkas dengan muka gelombang berbentuk pembuka botol. Hal ini dapat mengarah pada hubungan optik ruang bebas antar bangunan yang bergantung pada PIC untuk memproses informasi yang dibawa oleh cahaya, sekaligus menggunakan gelombang cahaya dengan muka gelombang berbentuk untuk interkomunikasi berkapasitas tinggi. Hologram gelombang bocor yang dapat menggantikan empat gambar berbeda secara bersamaan: dua pada bidang perangkat (pada dua keadaan polarisasi ortogonal) dan dua lainnya pada jarak di ruang bebas (juga pada dua keadaan polarisasi ortogonal). Fungsi ini dapat digunakan untuk membuat kacamata augmented reality yang lebih ringan dan nyaman serta tampilan 3D holografik yang lebih realistis. Gambar 3. Dua gambar kiri: Dua gambar holografik yang dihasilkan oleh permukaan metasurface gelombang bocor pada dua jarak berbeda dari permukaan perangkat. Empat gambar kanan: Empat gambar holografik berbeda yang dihasilkan oleh metasurface gelombang bocor tunggal pada dua jarak berbeda dari permukaan perangkat dan pada dua keadaan polarisasi ortogonal. (Gambar: Heqing Huang, Adam Overvig, dan Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Pembuatan perangkat

Pembuatan perangkat dilakukan di ruang bersih Columbia Nano Initiative, dan di Fasilitas NanoFabrication Pusat Penelitian Sains Lanjutan di Pusat Pascasarjana Universitas Kota New York.

Langkah berikutnya

Demonstrasi Yu saat ini didasarkan pada platform bahan polimer-silikon nitrida sederhana pada panjang gelombang inframerah dekat. Timnya selanjutnya berencana mendemonstrasikan perangkat berdasarkan platform silikon nitrida yang lebih kuat, yang kompatibel dengan protokol fabrikasi pengecoran dan toleran terhadap pengoperasian daya optik tinggi. Mereka juga berencana mendemonstrasikan desain untuk efisiensi keluaran tinggi dan pengoperasian pada panjang gelombang tampak, yang lebih cocok untuk aplikasi seperti optik kuantum dan tampilan holografik.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoAiStream. Kecerdasan Data Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Mencetak Masa Depan bersama Adryenn Ashley. Akses Di Sini.
• Beli dan Jual Saham di Perusahaan PRE-IPO dengan PREIPO®. Akses Di Sini.
• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62957.php