Metapowierzchnie fal wyciekających: doskonały interfejs między wolną przestrzenią a zintegrowanymi systemami optycznymi

Metapowierzchnie fal wyciekających: doskonały interfejs między wolną przestrzenią a zintegrowanymi systemami optycznymi

Znacznik czasu: 8 maja 2023 r. 11:18
Węzeł źródłowy: 2637426
08 maja 2023 r. (Wiadomości Nanowerk) Naukowcy z Columbia Engineering opracowali nową klasę zintegrowanych urządzeń fotonicznych – „metapowierzchnie fal wyciekających” – które mogą przekształcać światło początkowo uwięzione w światłowodzie w dowolny wzór optyczny w wolnej przestrzeni (Natura Nanotechnologia, „Metapowierzchnie fal wyciekających dla zintegrowanej fotoniki”). Urządzenia te jako pierwsze demonstrują jednoczesną kontrolę wszystkich czterech optycznych stopni swobody, a mianowicie amplitudy, fazy, eliptyczności polaryzacji i orientacji polaryzacji - rekord świata. Ponieważ urządzenia są tak cienkie, przezroczyste i kompatybilne z fotonicznymi układami scalonymi (PIC), można ich używać do ulepszania wyświetlaczy optycznych, LIDAR (wykrywania i określania odległości światła), komunikacji optycznej i optyki kwantowej. metapowierzchnia nieszczelnej fali Rysunek 1. Po lewej: schemat przedstawiający działanie metapowierzchni fali wyciekającej. Po prawej: Dwuwymiarowa tablica plam optycznych tworzących wzór Kagome, który jest wytwarzany przez metapowierzchnię nieszczelnej fali. (Zdjęcie: Heqing Huang, Adam Overvig i Nanfang Yu/Columbia Engineering) „Cieszymy się, że znaleźliśmy eleganckie rozwiązanie do łączenia optyki wolnej przestrzeni i zintegrowanej fotoniki – te dwie platformy były tradycyjnie badane przez badaczy z różnych dziedzin optyki i doprowadziły do ​​powstania komercyjnych produktów zaspokajających zupełnie inne potrzeby” – powiedział Nanfang Yu, profesor nadzwyczajny fizyki stosowanej i matematyki stosowanej, który jest liderem w badaniach nad urządzeniami nanofotonicznymi. „Nasza praca wskazuje na nowe sposoby tworzenia systemów hybrydowych, które wykorzystują to, co najlepsze z obu światów – optykę w wolnej przestrzeni do kształtowania czoła fali światła i zintegrowaną fotonikę do optycznego przetwarzania danych – w celu rozwiązania wielu pojawiających się zastosowań, takich jak optyka kwantowa, optogenetyka, czujniki sieci, komunikację międzyukładową i wyświetlacze holograficzne”.

Łączenie optyki wolnej przestrzeni i zintegrowanej fotoniki

Kluczowym wyzwaniem związanym z łączeniem PIC i optyki w wolnej przestrzeni jest przekształcenie prostego trybu falowodu zamkniętego w falowodzie – cienkim grzbiecie zdefiniowanym na chipie – w szeroką falę w wolnej przestrzeni ze złożonym frontem falowym i odwrotnie. Zespół Yu stawił czoła temu wyzwaniu, opierając się na swoim wynalazku zeszłej jesieni „nielokalnych metapowierzchni” i rozszerzył funkcjonalność urządzeń z kontrolowania fal świetlnych w wolnej przestrzeni na kontrolowanie fal kierowanych. W szczególności rozszerzyli tryb falowodu wejściowego, wykorzystując zwężenie falowodu w tryb falowodu płytowego — arkusz światła rozchodzący się wzdłuż chipa. „Zdaliśmy sobie sprawę, że tryb falowodu płyty można rozłożyć na dwie prostopadłe fale stojące – fale przypominające te wytwarzane przez szarpanie struny” – powiedział Heqing Huang, doktorant w laboratorium Yu i współautor pierwszego badania, opublikowanego dzisiaj w Nanotechnologia natury. „Dlatego zaprojektowaliśmy„ metapowierzchnię fali wyciekającej ”składającą się z dwóch zestawów prostokątnych otworów, które mają przesunięcie podfalowe względem siebie, aby niezależnie kontrolować te dwie fale stojące. W rezultacie każda fala stojąca jest przekształcana w emisję powierzchniową o niezależnej amplitudzie i polaryzacji; razem te dwie składowe emisji powierzchniowej łączą się w pojedynczą falę w wolnej przestrzeni z całkowicie kontrolowaną amplitudą, fazą i polaryzacją w każdym punkcie na jej czole”. metapowierzchnie nieszczelnych fal do generowania sieci Kagome Rysunek 2. Po lewej: zdjęcie dwóch metapowierzchni wyciekających fal do generowania sieci Kagome. Po prawej: obraz SEM fragmentu metapowierzchni fali nieszczelnej, która składa się z nanootworów wytrawionych w warstwie polimeru na wierzchu cienkiej warstwy azotku krzemu. (Zdjęcie: Heqing Huang, Adam Overvig i Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Od optyki kwantowej, przez komunikację optyczną, po holograficzne wyświetlacze 3D

Zespół Yu eksperymentalnie zademonstrował wiele nieszczelnych fal metapowierzchnie który może przekształcić tryb falowodu propagujący się wzdłuż falowodu o przekroju rzędu jednej długości fali w emisję w wolnej przestrzeni z zaprojektowanym czołem fali na obszarze około 300 razy większym niż długość fali przy długości fali telekomunikacyjnej 1.55 mikrona. Należą do nich: Metale o nieszczelnej fali, które wytwarzają ognisko w wolnej przestrzeni. Takie urządzenie będzie idealne do tworzenia niskostratnego łącza optycznego o dużej pojemności między układami PIC; przyda się też zintegrowana sonda optogenetyczna wytwarzająca skupione wiązki do optycznej stymulacji neuronów znajdujących się daleko od sondy. Generator sieci optycznej z nieszczelnymi falami, który może wytwarzać setki ognisk tworzących wzór sieci Kagome w wolnej przestrzeni. Ogólnie rzecz biorąc, metapowierzchnia fali wyciekającej może wytwarzać złożone aperiodyczne i trójwymiarowe sieci optyczne w celu uwięzienia zimnych atomów i cząsteczek. Ta zdolność umożliwi naukowcom badanie egzotycznych kwantowych zjawisk optycznych lub przeprowadzanie symulacji kwantowych, które dotychczas nie były łatwo osiągalne za pomocą innych platform, a także umożliwi im znaczne zmniejszenie złożoności, objętości i kosztów urządzeń kwantowych opartych na macierzach atomowych. Na przykład metapowierzchnia fali wyciekającej może być bezpośrednio zintegrowana z komorą próżniową, aby uprościć system optyczny, umożliwiając zastosowanie przenośnych zastosowań optyki kwantowej, takich jak zegary atomowe. Generator wiązki wirowej z wyciekającą falą, który wytwarza wiązkę z czołem fali w kształcie korkociągu. Może to doprowadzić do powstania łącza optycznego w wolnej przestrzeni między budynkami, które opiera się na PIC do przetwarzania informacji przenoszonych przez światło, a jednocześnie wykorzystuje fale świetlne z ukształtowanymi czołami fal do komunikacji wewnętrznej o dużej przepustowości. Hologram wyciekającej fali, który może przemieszczać jednocześnie cztery różne obrazy: dwa na płaszczyźnie urządzenia (w dwóch ortogonalnych stanach polaryzacji) i kolejne dwa na odległość w wolnej przestrzeni (również w dwóch ortogonalnych stanach polaryzacji). Ta funkcja może być wykorzystana do stworzenia lżejszych, wygodniejszych gogli rzeczywistości rozszerzonej i bardziej realistycznych holograficznych wyświetlaczy 3D. Dwa holograficzne obrazy wytworzone przez metapowierzchnię wyciekającej fali w dwóch różnych odległościach od powierzchni urządzenia Rysunek 3. Dwie figury po lewej: dwa obrazy holograficzne wytworzone przez metapowierzchnię fali wyciekającej w dwóch różnych odległościach od powierzchni urządzenia. Cztery cyfry po prawej: cztery odrębne obrazy holograficzne wytworzone przez pojedynczą metapowierzchnię fali wyciekającej w dwóch różnych odległościach od powierzchni urządzenia i w dwóch ortogonalnych stanach polaryzacji. (Zdjęcie: Heqing Huang, Adam Overvig i Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Produkcja urządzeń

Produkcja urządzenia została przeprowadzona w pomieszczeniu czystym Columbia Nano Initiative oraz w Advanced Science Research Center NanoFabrication Facility w Graduate Center City University of New York.

Następne kroki

Obecna demonstracja Yu opiera się na prostej platformie materiałów polimerowo-azotku krzemu w zakresie fal bliskiej podczerwieni. Jego zespół planuje następnie zademonstrować urządzenia oparte na solidniejszej platformie z azotku krzemu, która jest kompatybilna z protokołami produkcji odlewniczej i toleruje działanie przy dużej mocy optycznej. Planują również zademonstrować projekty zapewniające wysoką wydajność wyjściową i działanie w zakresie widzialnym, co jest bardziej odpowiednie do zastosowań takich jak optyka kwantowa i wyświetlacze holograficzne.

Znak czasu:

Więcej z Nanowerk