Naukowcy z Columbia Engineering opracowali nową klasę zintegrowanych urządzeń fotonicznych – „metapowierzchni fal wyciekających” – które mogą przekształcać światło początkowo uwięzione w światłowodzie w dowolny wzór optyczny w wolnej przestrzeni. 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.
„Cieszymy się, że znaleźliśmy eleganckie rozwiązanie do łączenia optyki w wolnej przestrzeni i zintegrowanej fotoniki – te dwie platformy były tradycyjnie badane przez badaczy z różnych poddziedzin optyki i doprowadziły do opracowania 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 , sieci czujników, komunikacja międzyukładowa 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 – na cienkim grzbiecie określonym 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 do kontrolowania 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 Nanotechnologii Przyrodniczej. „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 z niezależnymi amplituda i polaryzacja; razem te dwa składniki emisji powierzchniowej łączą się w pojedynczą falę w wolnej przestrzeni z całkowicie kontrolowaną amplitudą, fazą i polaryzacją w każdym punkcie czoła fali”.
Od optyki kwantowej, przez komunikację optyczną, po holograficzne wyświetlacze 3D
Zespół Yu eksperymentalnie zademonstrował wiele metapowierzchni fal nieszczelnych, które mogą 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 dłuższym niż długość fali w telekomunikacji długość fali 1,55 mikrona. Obejmują one:
Nieszczelna fala metaliczna, która tworzy 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 Aleaky-wave, 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.
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.
Badanie było wspierane przez National Science Foundation (grant nr QII-TAQS-1936359 (HH, YX i NY) oraz nr ECCS-2004685 (SCM, C.-CT i NY)), Biuro Sił Powietrznych ds. Badań Naukowych (nr FA9550-16-1-0322 (NY)) oraz Simons Foundation (ACO i AA). SCM docenia wsparcie z programu NSF Graduate Research Fellowship Program (nr grantu DGE-1644869).