Leaky-wave metasurfaces: een perfecte interface tussen vrije ruimte en geïntegreerde optische systemen

Leaky-wave metasurfaces: een perfecte interface tussen vrije ruimte en geïntegreerde optische systemen

Tijdstempel: 8 mei 2023 11:18 uur
Bronknooppunt: 2637426
08 mei 2023 (Nanowerk Nieuws) 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 (Natuur Nanotechnologie, “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. lekgolf-metasurface 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.”

Het overbruggen van optica in de vrije ruimte en geïntegreerde fotonica

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.” lekkende golfmetasurfaces voor het genereren van Kagome-roosters Figuur 2. Links: foto van twee lekkende golfmetasurfaces voor het genereren van Kagome-roosters. Rechts: SEM-afbeelding van een deel van een metasurface met lekkende golven, dat is samengesteld uit nano-openingen die zijn geëtst in een polymeerlaag bovenop een dunne film van siliciumnitride. (Afbeelding: Heqing Huang, Adam Overvig en Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Van kwantumoptica tot optische communicatie en holografische 3D-displays

Yu's team demonstreerde experimenteel meerdere lekkende golven meta-oppervlakken die een golfgeleidermodus die zich voortplant langs een golfgeleider met een doorsnede in de orde van één golflengte kan omzetten in emissie in de vrije ruimte met een ontwerpergolffront over een gebied dat ongeveer 300 keer de golflengte is bij de telecomgolflengte van 1.55 micron. Deze omvatten: Een lekkende golfmetalen die een brandpunt in de vrije ruimte produceert. Een dergelijk apparaat zal ideaal zijn voor het vormen van een optische verbinding met lage verliezen en hoge capaciteit in de vrije ruimte tussen PIC-chips; het zal ook nuttig zijn voor een geïntegreerde optogenetische sonde die gerichte stralen produceert om neuronen die zich ver weg van de sonde bevinden, optisch te stimuleren. Een optische roostergenerator met lekkende golven die honderden brandpunten kan produceren die een Kagome-roosterpatroon in de vrije ruimte vormen. Over het algemeen kan het metasurface met lekkende golven complexe aperiodische en driedimensionale optische roosters produceren om koude atomen en moleculen op te vangen. Deze mogelijkheid zal onderzoekers in staat stellen exotische kwantumoptische verschijnselen te bestuderen of kwantumsimulaties uit te voeren die tot nu toe niet gemakkelijk haalbaar waren met andere platforms, en hen in staat stellen de complexiteit, het volume en de kosten van op atomaire arrays gebaseerde kwantumapparaten aanzienlijk te verminderen. Het metasurface met lekkende golven zou bijvoorbeeld rechtstreeks in de vacuümkamer kunnen worden geïntegreerd om het optische systeem te vereenvoudigen, waardoor draagbare kwantumoptische toepassingen, zoals atoomklokken, mogelijk worden. Een lekgolf-vortexbundelgenerator die een straal produceert met een kurkentrekkervormig golffront. Dit zou kunnen leiden tot een optische verbinding in de vrije ruimte tussen gebouwen die afhankelijk is van PIC's om informatie te verwerken die door licht wordt overgedragen, terwijl ook lichtgolven met gevormde golffronten worden gebruikt voor intercommunicatie met hoge capaciteit. Een lekgolfhologram dat vier afzonderlijke beelden tegelijk kan verplaatsen: twee op het apparaatvlak (bij twee orthogonale polarisatietoestanden) en nog eens twee op afstand in de vrije ruimte (ook bij twee orthogonale polarisatietoestanden). Deze functie zou kunnen worden gebruikt om lichtere, comfortabelere augmented reality-brillen en realistischere holografische 3D-displays te maken. Twee holografische afbeeldingen geproduceerd door een metasurface met lekkende golven op twee verschillende afstanden van het oppervlak van het apparaat Figuur 3. Twee figuren links: twee holografische afbeeldingen geproduceerd door een metasurface met lekkende golven op twee verschillende afstanden van het oppervlak van het apparaat. Vier figuren rechts: vier verschillende holografische afbeeldingen geproduceerd door een enkel lekgolf-metasurface op twee verschillende afstanden van het oppervlak van het apparaat en in twee orthogonale polarisatietoestanden. (Afbeelding: Heqing Huang, Adam Overvig en Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Fabricage van apparaten

De fabricage van het apparaat werd uitgevoerd in de cleanroom van het Columbia Nano Initiative en in de Advanced Science Research Center NanoFabrication Facility van het Graduate Center van de City University van New York.

Volgende stappen

Yu's huidige demonstratie is gebaseerd op een eenvoudig materiaalplatform van polymeer-siliciumnitride op nabij-infrarode golflengten. Zijn team is van plan apparaten te demonstreren die zijn gebaseerd op het robuustere siliciumnitrideplatform, dat compatibel is met de fabricageprotocollen van gieterijen en tolerant is voor werking met hoog optisch vermogen. Ze zijn ook van plan ontwerpen te demonstreren voor een hoge outputefficiëntie en werking op zichtbare golflengten, wat geschikter is voor toepassingen zoals kwantumoptica en holografische displays.

Tijdstempel:

Meer van Nanowerk