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Pesquisadores da Columbia Engineering desenvolveram uma nova classe de dispositivos fotônicos integrados – “metasuperfícies de ondas vazadas” – que podem converter a luz inicialmente confinada em um guia de onda óptico em um padrão óptico arbitrário no espaço livre. Esses dispositivos são os primeiros a demonstrar o controle simultâneo de todos os quatro graus de liberdade ópticos, ou seja, amplitude, fase, elipticidade de polarização e orientação de polarização — um recorde mundial. Como os dispositivos são muito finos, transparentes e compatíveis com circuitos integrados fotônicos (PICs), eles podem ser usados para melhorar exibições ópticas, LIDAR (Light Detection and Ranging), comunicações ópticas e óptica quântica.
“Estamos entusiasmados em encontrar uma solução elegante para interfacear óptica de espaço livre e fotônica integrada – essas duas plataformas têm sido tradicionalmente estudadas por investigadores de diferentes subcampos da óptica e levaram a produtos comerciais que atendem a necessidades completamente diferentes”, disse Nanfang Yu, professor associado de física aplicada e matemática aplicada, líder em pesquisas sobre dispositivos nanofotônicos. “Nosso trabalho aponta para novas maneiras de criar sistemas híbridos que utilizam o melhor dos dois mundos – ótica de espaço livre para moldar a frente de onda da luz e fotônica integrada para processamento de dados óticos – para abordar muitas aplicações emergentes, como ótica quântica, optogenética , redes de sensores, comunicações entre chips e telas holográficas.”
Unindo óptica de espaço livre e fotônica integrada
O principal desafio da interface entre PICs e óptica de espaço livre é transformar um modo de guia de onda simples confinado dentro de um guia de onda – uma crista fina definida em um chip – em uma ampla onda de espaço livre com uma frente de onda complexa e vice-versa. A equipe de Yu enfrentou esse desafio com base em sua invenção no outono passado de “metasuperfícies não locais” e estendeu a funcionalidade dos dispositivos de controlar ondas de luz de espaço livre para controlar ondas guiadas.
Especificamente, eles expandiram o modo de guia de onda de entrada usando um cone de guia de onda em um modo de guia de onda de placa – uma folha de luz se propagando ao longo do chip. “Percebemos que o modo de guia de onda da laje pode ser decomposto em duas ondas estacionárias ortogonais – ondas reminiscentes daquelas produzidas pelo toque de uma corda”, disse Heqing Huang, estudante de doutorado no laboratório de Yu e coautor do estudo, publicado hoje. em Natureza Nanotecnologia. “Portanto, projetamos uma ‘metasuperfície de onda vazada’ composta por dois conjuntos de aberturas retangulares que têm um deslocamento de subcomprimento de onda um do outro para controlar independentemente essas duas ondas estacionárias. O resultado é que cada onda estacionária é convertida em uma emissão de superfície com emissão independente amplitude e polarização; juntos, os dois componentes de emissão de superfície se fundem em uma única onda de espaço livre com amplitude, fase e polarização completamente controláveis em cada ponto sobre sua frente de onda.”
Da óptica quântica às comunicações ópticas e às exibições 3D holográficas
A equipe de Yu demonstrou experimentalmente várias metasuperfícies de ondas com vazamento que podem converter um modo de guia de onda que se propaga ao longo de um guia de onda com uma seção transversal da ordem de um comprimento de onda em emissão no espaço livre com uma frente de onda projetada em uma área de cerca de 300 vezes o comprimento de onda na telecomunicações comprimento de onda de 1,55 mícrons. Esses incluem:
Uma onda vazada metalens que produz um ponto focal no espaço livre. Tal dispositivo será ideal para formar um link óptico de espaço livre de baixa perda e alta capacidade entre os chips PIC; também será útil para uma sonda optogenética integrada que produz feixes focalizados para estimular opticamente os neurônios localizados longe da sonda.
Um gerador de rede óptica de ondas furadas que pode produzir centenas de pontos focais formando um padrão de rede Kagome no espaço livre. Em geral, a metasuperfície de onda com vazamento pode produzir redes ópticas tridimensionais e aperiódicas complexas para prender átomos e moléculas frias. Essa capacidade permitirá que os pesquisadores estudem fenômenos ópticos quânticos exóticos ou conduzam simulações quânticas até então não facilmente alcançáveis com outras plataformas, e permitirão que reduzam substancialmente a complexidade, o volume e o custo dos dispositivos quânticos baseados em matriz atômica. Por exemplo, a metasuperfície de onda vazada pode ser diretamente integrada à câmara de vácuo para simplificar o sistema óptico, tornando possíveis aplicações portáteis de óptica quântica, como relógios atômicos.
Um gerador de feixe de vórtice de onda vazada que produz um feixe com uma frente de onda em forma de saca-rolhas. Isso pode levar a um link óptico de espaço livre entre edifícios que depende de PICs para processar informações transportadas pela luz, ao mesmo tempo em que usa ondas de luz com frentes de onda moldadas para intercomunicação de alta capacidade.
Um holograma de onda vazada que pode deslocar quatro imagens distintas simultaneamente: duas no plano do dispositivo (em dois estados de polarização ortogonal) e outras duas à distância no espaço livre (também em dois estados de polarização ortogonal). Essa função pode ser usada para criar óculos de realidade aumentada mais leves e confortáveis e exibições 3D holográficas mais realistas.
Fabricação de dispositivos
A fabricação do dispositivo foi realizada na sala limpa da Columbia Nano Initiative e no Advanced Science Research Center NanoFabrication Facility no Graduate Center da City University of New York.
Próximos passos
A demonstração atual de Yu é baseada em uma plataforma simples de materiais de polímero e nitreto de silício em comprimentos de onda próximos ao infravermelho. Sua equipe planeja a seguir demonstrar dispositivos baseados na plataforma de nitreto de silício mais robusta, que é compatível com protocolos de fabricação de fundição e tolerante à operação de alta potência óptica. Eles também planejam demonstrar projetos para alta eficiência de saída e operação em comprimentos de onda visíveis, o que é mais adequado para aplicações como óptica quântica e exibições holográficas.
O estudo foi financiado pela National Science Foundation (concessão no. QII-TAQS-1936359 (HH, YX e NY) e no. ECCS-2004685 (SCM, C.-CT e NY)), o Escritório da Força Aérea de Pesquisa Científica (no. FA9550-16-1-0322 (NY)), e a Fundação Simons (ACO e AA). A SCM reconhece o apoio do NSF Graduate Research Fellowship Program (concessão nº DGE-1644869).
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