누출파 메타표면: 자유 공간과 통합 광학 시스템 간의 완벽한 인터페이스

누출파 메타표면: 자유 공간과 통합 광학 시스템 간의 완벽한 인터페이스

타임 스탬프 : 8 년 2023 월 11 일 오전 18시 XNUMX 분
소스 노드 : 2637426
08 년 2023 월 XNUMX 일 (나노 워크 뉴스) 컬럼비아 엔지니어링 연구원들은 초기에 광 도파관에 갇힌 빛을 자유 공간의 임의의 광학 패턴으로 변환할 수 있는 새로운 종류의 통합 광자 장치인 "누설파 메타표면"을 개발했습니다.자연 나노 기술, “통합 포토닉스를 위한 누설파 메타표면”). 이 장치는 네 가지 광학 자유도, 즉 진폭, 위상, 편광 타원율 및 편광 방향을 동시에 제어하는 ​​세계 기록을 최초로 시연한 것입니다. 이 장치는 매우 얇고 투명하며 광자 집적 회로(PIC)와 호환되므로 광학 디스플레이, LIDAR(빛 감지 및 거리 측정), 광통신 및 양자 광학을 개선하는 데 사용할 수 있습니다. 누출파 메타표면 그림 1. 왼쪽: 누출파 메타표면의 작동을 보여주는 도식. 오른쪽: 누출파 메타표면에 의해 생성된 Kagome 패턴을 형성하는 광학 점의 2D 배열입니다. (이미지: Heqing Huang, Adam Overvig 및 Nanfang Yu/Columbia Engineering) “우리는 자유 공간 광학과 통합 포토닉스를 인터페이스하기 위한 우아한 솔루션을 찾게 되어 기쁘게 생각합니다. 이 두 플랫폼은 전통적으로 광학 및 광학의 다양한 하위 분야의 연구자에 의해 연구되어 왔습니다. 나노포토닉 장치 연구의 선두주자이자 응용 물리학 및 응용 수학 부교수인 Nanfang Yu는 완전히 다른 요구 사항을 충족하는 상용 제품을 탄생시켰습니다. “우리의 작업은 양자 광학, 광유전학, 센서와 같은 많은 새로운 응용 분야를 다루기 위해 빛의 파면을 형성하기 위한 자유 공간 광학과 광학 데이터 처리를 위한 통합 포토닉스라는 두 가지 장점을 활용하는 하이브리드 시스템을 만드는 새로운 방법을 제시합니다. 네트워크, 칩 간 통신 및 홀로그램 디스플레이.”

자유 공간 광학 장치와 통합 포토닉스 연결

PIC와 자유 공간 광학 장치를 연결하는 데 있어 주요 과제는 도파관(칩에 정의된 얇은 능선) 내에 제한된 단순한 도파관 모드를 복잡한 파면이 있는 넓은 자유 공간 파동으로 변환하고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. Yu의 팀은 지난 가을에 발명한 "비국소 메타표면"을 기반으로 이 문제를 해결하고 자유 공간 광파 제어에서 유도파 제어까지 장치의 기능을 확장했습니다. 구체적으로 그들은 도파관 테이퍼를 사용하여 칩을 따라 전파되는 빛의 시트인 슬래브 도파관 모드로 입력 도파관 모드를 확장했습니다. “우리는 슬래브 도파관 모드가 두 개의 직교 정재파(현을 뽑을 때 생성되는 파동)로 분해될 수 있다는 것을 깨달았습니다.”라고 Yu 연구실의 박사과정 학생이자 이번 연구의 공동 저자인 Heqing Huang이 말했습니다. 자연나노기술. “따라서 우리는 이 두 정재파를 독립적으로 제어하기 위해 서로 서브파장 오프셋을 갖는 두 세트의 직사각형 조리개로 구성된 '누설파 메타표면'을 설계했습니다. 결과적으로 각 정재파는 독립적인 진폭과 편파를 갖는 표면 방출로 변환됩니다. 두 개의 표면 방출 구성요소가 함께 파면 위의 각 지점에서 진폭, 위상 및 편광을 완전히 제어할 수 있는 단일 자유 공간 파동으로 병합됩니다." Kagome 격자 생성을 위한 누출파 메타표면 그림 2. 왼쪽: Kagome 격자 생성을 위한 두 개의 누출파 메타표면 사진. 오른쪽: 질화규소 박막 상단의 폴리머 층에 식각된 나노 구멍으로 구성된 누설파 메타표면 일부의 SEM 이미지. (이미지: Heqing Huang, Adam Overvig 및 Nanfang Yu/Columbia Engineering)

양자광학부터 광통신, 홀로그램 3D 디스플레이까지

유 팀은 다중 누설파를 실험적으로 시연했습니다. 메타 서페이스 이는 한 파장 정도의 단면을 갖는 도파관을 따라 전파되는 도파관 모드를 통신 파장 300미크론에서 파장의 약 1.55배 영역에 걸쳐 디자이너 파면을 갖는 자유 공간 방출로 변환할 수 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다. 자유 공간에 초점을 생성하는 누출파 금속렌즈. 이러한 장치는 PIC 칩 사이에 저손실, 고용량 자유 공간 광 링크를 형성하는 데 이상적입니다. 또한 프로브에서 멀리 떨어져 있는 뉴런을 광학적으로 자극하기 위해 집중된 빔을 생성하는 통합 광유전학 프로브에도 유용할 것입니다. 자유 공간에서 Kagome 격자 패턴을 형성하는 수백 개의 초점 지점을 생성할 수 있는 누설파 광학 격자 생성기입니다. 일반적으로 누설파 메타표면은 차가운 원자와 분자를 가두기 위해 복잡한 비주기 및 3차원 광학 격자를 생성할 수 있습니다. 이 기능을 통해 연구자들은 다른 플랫폼에서는 쉽게 달성할 수 없었던 이국적인 양자 광학 현상을 연구하거나 양자 시뮬레이션을 수행할 수 있으며 원자 배열 기반 양자 장치의 복잡성, 부피 및 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 예를 들어, 누설파 메타표면은 진공 챔버에 직접 통합되어 광학 시스템을 단순화하여 원자 시계와 같은 휴대용 양자 광학 애플리케이션을 가능하게 할 수 있습니다. 코르크 모양의 파면을 갖는 빔을 생성하는 누설파 와류 빔 생성기입니다. 이는 PIC를 사용하여 빛에 의해 전달되는 정보를 처리하는 동시에 대용량 상호 통신을 위해 정형 파면이 있는 광파를 사용하는 건물 간의 자유 공간 광학 링크로 이어질 수 있습니다. XNUMX개의 개별 이미지를 동시에 변위할 수 있는 누출파 홀로그램입니다. 장치 평면에 XNUMX개(XNUMX개의 직교 편광 상태)와 자유 공간에서 멀리 떨어져 있는 다른 XNUMX개(역시 XNUMX개의 직교 편광 상태)입니다. 이 기능을 사용하면 더 가볍고 편안한 증강현실 고글과 더 사실적인 홀로그램 XNUMXD 디스플레이를 만들 수 있습니다. 장치 표면으로부터 서로 다른 두 거리에 있는 누설파 메타표면에 의해 생성된 두 개의 홀로그램 이미지 그림 3. 왼쪽 두 그림: 장치 표면으로부터 두 개의 서로 다른 거리에 있는 누설파 메타표면에 의해 생성된 두 개의 홀로그램 이미지. 오른쪽 네 그림: 장치 표면으로부터 두 개의 서로 다른 거리와 두 개의 직교 편광 상태에서 단일 누설파 메타표면에 의해 생성된 네 개의 별개의 홀로그램 이미지. (이미지: Heqing Huang, Adam Overvig 및 Nanfang Yu/Columbia Engineering)

장치 제작

장치 제작은 Columbia Nano Initiative 클린룸과 뉴욕 시립 대학 대학원 센터의 첨단 과학 연구 센터 NanoFabrication 시설에서 수행되었습니다.

다음 단계

Yu의 현재 시연은 근적외선 파장의 간단한 폴리머-실리콘 질화물 재료 플랫폼을 기반으로 합니다. 그의 팀은 다음으로 파운드리 제조 프로토콜과 호환되고 높은 광학 전력 작동에 견딜 수 있는 보다 견고한 질화규소 플랫폼을 기반으로 하는 장치를 시연할 계획입니다. 그들은 또한 양자 광학 및 홀로그램 디스플레이와 같은 응용 분야에 더 적합한 가시 파장에서의 높은 출력 효율성과 작동을 위한 설계를 시연할 계획입니다.

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