Metasuprafețe cu unde leaky: O interfață perfectă între spațiul liber și sistemele optice integrate

Metasuprafețe cu unde leaky: O interfață perfectă între spațiul liber și sistemele optice integrate

Marca temporală: 8 mai 2023, ora 11:18
Nodul sursă: 2637426
08 mai 2023 (Știri 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 (Natură Nanotehnologia, “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. metasuprafață cu undă scursă 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.”

Conectează între optica spațiului liber și fotonica integrată

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.” metasuprafețe cu unde leaky pentru generarea rețelelor Kagome Figura 2. Stânga: Fotografie a două metasuprafețe cu unde leaky pentru generarea rețelelor Kagome. Dreapta: imagine SEM a unei porțiuni a unei metasuprafețe cu undă scursă, care este compusă din nano-apertura gravate într-un strat de polimer deasupra unui film subțire de nitrură de siliciu. (Imagine: Heqing Huang, Adam Overvig și Nanfang Yu/Columbia Engineering)

De la optică cuantică la comunicații optice până la afișaje holografice 3D

Echipa lui Yu a demonstrat experimental mai multe leaky-wave metasuprafețe care poate converti un mod de ghid de undă care se propagă de-a lungul unui ghid de undă cu o secțiune transversală de ordinul unei lungimi de undă în emisie în spațiu liber cu un front de undă proiectat pe o zonă de aproximativ 300 de ori lungimea de undă la lungimea de undă de telecomunicații de 1.55 microni. Acestea includ: O undă metalenă cu scurgeri care produce un punct focal în spațiul liber. Un astfel de dispozitiv va fi ideal pentru formarea unei legături optice în spațiu liber cu pierderi reduse și de mare capacitate între cipurile PIC; va fi, de asemenea, util pentru o sondă optogenetică integrată care produce fascicule focalizate pentru a stimula optic neuronii aflați departe de sondă. Un generator de rețea optică cu unde cu scurgeri care poate produce sute de puncte focale formând un model de rețea Kagome în spațiul liber. În general, metasuprafața undelor cu scurgeri poate produce rețele optice aperiodice și tridimensionale complexe pentru a prinde atomi și molecule reci. Această capacitate le va permite cercetătorilor să studieze fenomene optice cuantice exotice sau să efectueze simulări cuantice până acum imposibil de realizat cu alte platforme și să le permită să reducă substanțial complexitatea, volumul și costul dispozitivelor cuantice bazate pe matrice atomice. De exemplu, metasuprafața undelor cu scurgeri ar putea fi integrată direct în camera de vid pentru a simplifica sistemul optic, făcând posibile aplicații portabile de optică cuantică, cum ar fi ceasurile atomice. Un generator de fascicule vortex cu undă scursă care produce un fascicul cu un front de undă în formă de tirbușon. Acest lucru ar putea duce la o legătură optică în spațiu liber între clădiri care se bazează pe PIC-uri pentru a procesa informațiile transportate de lumină, folosind, în același timp, unde luminoase cu fronturi de undă modelate pentru intercomunicații de mare capacitate. O hologramă cu undă care poate deplasa patru imagini distincte simultan: două în planul dispozitivului (la două stări de polarizare ortogonală) și alte două la distanță în spațiul liber (tot la două stări de polarizare ortogonală). Această funcție ar putea fi folosită pentru a face ochelari de protecție cu realitate augmentată mai ușoare, mai confortabile și afișaje 3D holografice mai realiste. Două imagini holografice produse de o metasuprafață cu undă scursă la două distanțe diferite de suprafața dispozitivului Figura 3. Stânga două figuri: Două imagini holografice produse de o metasuprafață cu undă scursă la două distanțe diferite de suprafața dispozitivului. Patru figuri din dreapta: Patru imagini holografice distincte produse de o singură metasuprafață cu undă scursă la două distanțe diferite de suprafața dispozitivului și la două stări de polarizare ortogonală. (Imagine: Heqing Huang, Adam Overvig și Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Fabricarea dispozitivului

Fabricarea dispozitivelor a fost efectuată în camera curată Columbia Nano Initiative și la Centrul de Cercetare în Știință Avansată NanoFabrication Facility de la Centrul de Absolvenți al Universității City din New York.

Pasii urmatori

Demonstrația actuală a lui Yu se bazează pe o platformă simplă de materiale polimer-nitrură de siliciu la lungimi de undă apropiate de infraroșu. Echipa sa plănuiește în continuare să demonstreze dispozitive bazate pe platforma mai robustă cu nitrură de siliciu, care este compatibilă cu protocoalele de fabricare a turnătoriilor și tolerantă la funcționarea cu putere optică ridicată. Ei intenționează, de asemenea, să demonstreze proiecte pentru eficiență ridicată de ieșire și funcționare la lungimi de undă vizibile, ceea ce este mai potrivit pentru aplicații precum optica cuantică și afișajele holografice.

Timestamp-ul:

Mai mult de la Nanowerk