Leaky-wave metasytor: Ett perfekt gränssnitt mellan ledigt utrymme och integrerade optiska system

08 maj 2023 (Nanowerk NyheterForskare vid Columbia Engineering har utvecklat en ny klass av integrerade fotoniska enheter – "läckande vågmetasytor" – som kan omvandla ljus som initialt är begränsat i en optisk vågledare till ett godtyckligt optiskt mönster i fritt utrymme (Natur nanoteknik, "Leaky-wave metasytor för integrerad fotonik"). Dessa enheter är de första som demonstrerar samtidig kontroll av alla fyra optiska frihetsgraderna, nämligen amplitud, fas, polarisationsellipticitet och polarisationsorientering – ett världsrekord. Eftersom enheterna är så tunna, transparenta och kompatibla med fotoniska integrerade kretsar (PIC), kan de användas för att förbättra optiska skärmar, LIDAR (Light Detection and Ranging), optisk kommunikation och kvantoptik. Figur 1. Vänster: Schematisk som visar funktionen av en läckande vågs metayta. Till höger: En 2D-array av optiska fläckar som bildar ett Kagome-mönster som produceras av en metayta med läckande vågor. (Bild: Heqing Huang, Adam Overvig och Nanfang Yu/Columbia Engineering) "Vi är glada över att hitta en elegant lösning för gränssnitt för frirumsoptik och integrerad fotonik – dessa två plattformar har traditionellt studerats av utredare från olika delområden av optik och har lett till att kommersiella produkter tillgodoser helt andra behov”, säger Nanfang Yu, docent i tillämpad fysik och tillämpad matematik som är ledande inom forskning om nanofotoniska enheter. "Vårt arbete pekar på nya sätt att skapa hybridsystem som använder det bästa av två världar – frirumsoptik för att forma ljusets vågfront och integrerad fotonik för optisk databehandling – för att hantera många nya tillämpningar som kvantoptik, optogenetik, sensorer nätverk, kommunikation mellan chip och holografiska skärmar."

Överbryggande frirumsoptik och integrerad fotonik

Nyckelutmaningen med att koppla ihop PIC:er och frirumsoptik är att omvandla ett enkelt vågledarläge begränsat inom en vågledare – en tunn ås definierad på ett chip – till en bred frirumsvåg med en komplex vågfront, och vice versa. Yus team tacklade denna utmaning genom att bygga vidare på sin uppfinning förra hösten av "icke-lokala metasytor" och utökade enheternas funktionalitet från att styra ljusvågor i fritt utrymme till att kontrollera styrda vågor. Specifikt utökade de ingångsvågledarläget genom att använda en vågledaravsmalning till ett vågledarläge för plattor - ett ljusark som fortplantar sig längs chipet. "Vi insåg att vågledarläget för plattor kan brytas ner i två ortogonala stående vågor - vågor som påminner om de som produceras genom att plocka ett snöre", säger Heqing Huang, doktorand i Yus labb och medförfattare till studien, publicerad idag i Naturens nanoteknik. "Därför designade vi en "läckande våg-metayta" som består av två uppsättningar rektangulära öppningar som har en subvåglängdsförskjutning från varandra för att oberoende styra dessa två stående vågor. Resultatet är att varje stående våg omvandlas till en ytemission med oberoende amplitud och polarisation; Tillsammans smälter de två ytemissionskomponenterna samman till en enda fritt rymdvåg med fullständigt kontrollerbar amplitud, fas och polarisation vid varje punkt över dess vågfront." Figur 2. Vänster: Foto av två läckande våg-metasytor för att generera Kagome-gitter. Höger: SEM-bild av en del av en metayta med läckande vågor, som är sammansatt av nanoöppningar etsade i ett polymerskikt ovanpå en tunn film av kiselnitrid. (Bild: Heqing Huang, Adam Overvig och Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Från kvantoptik till optisk kommunikation till holografiska 3D-skärmar

Yus team demonstrerade experimentellt flera läckande vågor metasytor som kan omvandla ett vågledarläge som utbreder sig längs en vågledare med ett tvärsnitt i storleksordningen en våglängd till emission av fritt utrymme med en designvågfront över ett område som är cirka 300 gånger våglängden vid telekomvåglängden på 1.55 mikron. Dessa inkluderar: En läckande våg metalens som producerar en brännpunkt i fritt utrymme. En sådan anordning kommer att vara idealisk för att bilda en optisk länk med låg förlust och hög kapacitet för ledigt utrymme mellan PIC-chips; det kommer också att vara användbart för en integrerad optogenetisk sond som producerar fokuserade strålar för att optiskt stimulera neuroner som ligger långt bort från sonden. En optisk gittergenerator med läckande vågor som kan producera hundratals fokalpunkter som bildar ett Kagome-gittermönster i ledigt utrymme. I allmänhet kan metaytan med läckande våg producera komplexa aperiodiska och tredimensionella optiska gitter för att fånga kalla atomer och molekyler. Denna förmåga kommer att göra det möjligt för forskare att studera exotiska kvantoptiska fenomen eller genomföra kvantsimuleringar som hittills inte är lätta att uppnå med andra plattformar, och göra det möjligt för dem att avsevärt minska komplexiteten, volymen och kostnaden för atomarraybaserade kvantenheter. Till exempel kan metaytan med läckande vågor integreras direkt i vakuumkammaren för att förenkla det optiska systemet, vilket gör portabla kvantoptikapplikationer, såsom atomklockor, en möjlighet. En virvelstrålegenerator med läckande vågor som producerar en stråle med en korkskruvsformad vågfront. Detta kan leda till en optisk länk mellan byggnader som förlitar sig på PIC:er för att bearbeta information som bärs av ljus, samtidigt som ljusvågor med formade vågfronter används för högkapacitetsinterkommunikation. Ett hologram med läckande vågor som kan förskjuta fyra distinkta bilder samtidigt: två vid enhetsplanet (vid två ortogonala polarisationstillstånd) och ytterligare två på avstånd i det fria utrymmet (också vid två ortogonala polarisationstillstånd). Denna funktion kan användas för att göra lättare, bekvämare augmented reality-glasögon och mer realistiska holografiska 3D-skärmar. Figur 3. Vänster två figurer: Två holografiska bilder producerade av en läckande våg metayta på två olika avstånd från enhetens yta. Höger fyra figurer: Fyra distinkta holografiska bilder producerade av en enda läckande vågmetayta på två olika avstånd från enhetens yta och vid två ortogonala polarisationstillstånd. (Bild: Heqing Huang, Adam Overvig och Nanfang Yu/Columbia Engineering)

Tillverkning av anordning

Enhetstillverkning utfördes i Columbia Nano Initiative renrum och vid Advanced Science Research Center NanoFabrication Facility vid Graduate Center vid City University of New York.

Nästa steg

Yus nuvarande demonstration är baserad på en enkel plattform för material av polymer-kiselnitrid vid nära-infraröda våglängder. Hans team planerar härnäst att demonstrera enheter baserade på den mer robusta kiselnitridplattformen, som är kompatibel med gjuteritillverkningsprotokoll och tolerant för drift med hög optisk effekt. De planerar också att demonstrera design för hög uteffekt och drift vid synliga våglängder, vilket är mer lämpligt för applikationer som kvantoptik och holografiska skärmar.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
• Källa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62957.php