Eleganckie rozwiązanie do łączenia optyki wolnej przestrzeni i zintegrowanej fotoniki

Naukowcy z Columbia Engineering opracowali nową klasę zintegrowanych urządzeń optycznych — „nieszczelne powierzchnie falowe” — które mogą przekształcać światło początkowo uwięzione w światłowodzie w losowy wzór optyczny w wolnej przestrzeni. Urządzenia te jako pierwsze demonstrują jednoczesną kontrolę wszystkich czterech optycznych stopni swobody – amplitudy, fazy, elipsy 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 (wykrywanie i określanie odległości światła), komunikacji optycznej i optyki kwantowej.

„Cieszymy się, że znaleźliśmy eleganckie rozwiązanie do interakcji między optyką w wolnej przestrzeni a kompaktową fotoniką — te dwie platformy były tradycyjnie badane przez badaczy z różnych poddziedzin optyki i zaowocowały produktami komercyjnymi, które odpowiadają na bardzo różne potrzeby,powiedział Nanfang Yu, adiunkt fizyki stosowanej i matematyki stosowanej oraz pionier w dziedzinie badań nad urządzeniami w nanoskali.Nasza praca wskazuje na nowe możliwości tworzenia systemów hybrydowych, które wykorzystują to, co najlepsze z obu światów — optykę w wolnej przestrzeni do kształtowania czoła fali światła i kompaktową fotonikę do przetwarzania danych fotonicznych — w celu rozwiązania wielu pojawiających się zastosowań, takich jak optyka kwantowa, optogenetyka, sieci czujników, komunikacji międzyukładowej i renderowania holograficznego”.

Połączenie między optyką wolnej przestrzeni a zintegrowaną fotoniką

Głównym wyzwaniem związanym z łączeniem PIC z optyką w wolnej przestrzeni jest przekształcenie prostego trybu falowodu zamkniętego w falowodzie — cienkiej, zdefiniowanej krawędzi na chipie — w szeroki falowód w wolnej przestrzeni ze złożonym czołem falowym i odwrotnie. Zespół Yu stawił czoła temu wyzwaniu, opierając się na swoim wynalazku zeszłej jesieni „nielokalnych metapowierzchni” i rozszerzając funkcjonalność urządzeń z kontrolowania fal świetlnych w wolnej przestrzeni do kontrolowania fal skierowanych.

W szczególności rozszerzyli tryb falowodu wejściowego, wykorzystując zwężenie falowodu w trybie falowodu płyty — tafla światła rozchodząca się wzdłuż płyty. „Zdaliśmy sobie sprawę, że tryb falowodu płyty można rozłożyć na dwie prostopadłe do siebie fale stojące – fale przypominające te wytwarzane przez wyrywanie nici” powiedział Heqing Huang, doktorant w laboratorium Yu i współautor badania, które zostało opublikowane dzisiaj w Nanotechnologia natury. Dlatego zaprojektowaliśmy „przeciekające czoło fali” składające się z dwóch zestawów prostokątnych otworów, które są oddalone od siebie o podfale, aby niezależnie kontrolować te dwie fale stojące. W rezultacie każda fala stojąca jest przekształcana w emisję powierzchniową o amplitudzie i polaryzacji składowa emisji łączy ze sobą powierzchnie w pojedynczą falę w wolnej przestrzeni z w pełni kontrolowaną amplitudą, fazą i polaryzacją w każdym punkcie czoła fali”.

Od optyki kwantowej, przez komunikację optyczną, aż po ekrany holograficzne 3D

Zespół Yu eksperymentalnie zademonstrował kilka nieszczelnych metapowierzchni falowych, które mogą przekształcić tryb falowodu propagujący się wzdłuż falowodu o przekroju rzędu jednej długości fali w emisję w wolnej przestrzeni z czołem falowym modelowanym na obszarze około 300 długości fal w kontaktach . Długość fali wynosi 1,55 mikrona. Obejmują one:

Przeciekające metale falowe tworzą ognisko w wolnej przestrzeni. Takie urządzenie byłoby idealne do tworzenia niskostratnego łącza optycznego o dużej pojemności między warstwami PIC; Przydatna byłaby również zintegrowana sonda optogenetyczna, która wytwarza skupione wiązki, aby optycznie stymulować neurony znajdujące się daleko od sondy.

Generator siatki optycznej wyciekającej fali może wytworzyć setki ognisk, które tworzą wzór sieci Kagome w wolnej przestrzeni. Ogólnie rzecz biorąc, subtelna powierzchnia wyciekającej fali może wytwarzać złożone, aperiodyczne, trójwymiarowe sieci optyczne, które zatrzymują zimne atomy i cząsteczki. Ta umiejętność umożliwi naukowcom badanie egzotycznych kwantowych zjawisk optycznych lub przeprowadzanie symulacji kwantowych, które nie są jeszcze łatwe do osiągnięcia za pomocą innych platform, a także umożliwi im znaczne zmniejszenie złożoności, rozmiaru i kosztów urządzeń kwantowych opartych na macierzach atomowych. Na przykład metapowierzchnię fali wycieku można bezpośrednio zintegrować z komorą próżniową, aby uprościć system optyczny, umożliwiając przenośne zastosowania optyki kwantowej, takie jak zegary atomowe.

Nieszczelny generator wiązki wirowej fali wytwarza wiązkę z czoło fali w kształcie klucza. Może to prowadzić do pustego łącza optycznego między budynkami, które opiera się na PIC do przetwarzania informacji przenoszonych przez światło, z falami świetlnymi z modulowanymi czołami fal używanymi do komunikacji o dużej przepustowości.

Hologram fali nieszczelnej może jednocześnie przemieszczać cztery różne obrazy: dwa na płaszczyźnie urządzenia (w dwóch stanach spolaryzowanych ortogonalnie) i dwa na odległość w wolnej przestrzeni (również w dwóch stanach spolaryzowanych ortogonalnie). Tej funkcji można używać do tworzenia lżejszych, wygodniejszych okularów rzeczywistości rozszerzonej i bardziej realistycznych ekranów 3D 3D.

Produkcja urządzeń

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

następne kroki

Obecna demonstracja Yu opiera się na prostej platformie materiałów polimerowych i azotku krzemu w zakresie fal bliskiej podczerwieni. Jego zespół planuje następnie zademonstrować urządzenia oparte na solidniejszej platformie z azotku krzemu, które są kompatybilne z protokołami produkcji odlewniczej i tolerują działanie przy dużej mocy optycznej. Planują również zademonstrować projekty wysoce wydajnej produkcji i działania w widzialnych długościach fal, które lepiej nadają się do zastosowań takich jak optyka kwantowa i renderowanie holograficzne.

źródło: https://www.engineering.columbia.edu/