Metasuperficies de ondas con fugas: una interfaz perfecta entre el espacio libre y los sistemas ópticos integrados

Investigadores de Columbia Engineering han desarrollado una nueva clase de dispositivos fotónicos integrados, “metasuperficies de ondas con fugas”, que pueden convertir la luz inicialmente confinada en una guía de ondas óptica en un patrón óptico arbitrario en el espacio libre. Estos dispositivos son los primeros en demostrar el control simultáneo de los cuatro grados ópticos de libertad, es decir, amplitud, fase, elipticidad de polarización y orientación de polarización, un récord mundial.

Debido a que los dispositivos son tan delgados, transparentes y compatibles con circuitos integrados fotónicos (PIC), se pueden utilizar para mejorar pantallas ópticas, LIDAR (detección y alcance de luz), comunicaciones ópticas y óptica cuántica.

"Estamos entusiasmados de encontrar una solución elegante para interconectar la óptica del espacio libre y la fotónica integrada; estas dos plataformas han sido tradicionalmente estudiadas por investigadores de diferentes subcampos de la óptica y han dado lugar a productos comerciales que abordan necesidades completamente diferentes", dijo Nanfang Yu, asociado Profesor de física aplicada y matemáticas aplicadas, líder en investigación sobre dispositivos nanofotónicos.

“Nuestro trabajo apunta a nuevas formas de crear sistemas híbridos que utilicen lo mejor de ambos mundos (óptica de espacio libre para dar forma al frente de onda de la luz y fotónica integrada para el procesamiento de datos ópticos) para abordar muchas aplicaciones emergentes como la óptica cuántica, la optogenética, los sensores. redes, comunicaciones entre chips y pantallas holográficas”.

Uniendo la óptica del espacio libre y la fotónica integrada

El desafío clave de interconectar los PIC y la óptica de espacio libre es transformar un modo de guía de onda simple confinado dentro de una guía de onda (una cresta delgada definida en un chip) en una onda amplia de espacio libre con un frente de onda complejo, y viceversa. El equipo de Yu abordó este desafío basándose en su invención del otoño pasado de "metasuperficies no locales" y amplió la funcionalidad de los dispositivos desde el control de ondas de luz en el espacio libre hasta el control de ondas guiadas.

Específicamente, ampliaron el modo de guía de ondas de entrada mediante el uso de una guía de ondas cónica a un modo de guía de ondas de losa: una lámina de luz que se propaga a lo largo del chip. "Nos dimos cuenta de que el modo de guía de onda de losa se puede descomponer en dos ondas estacionarias ortogonales, ondas que recuerdan a las producidas al pulsar una cuerda", dijo Heqing Huang, Ph.D. estudiante en el laboratorio de Yu y co-primer autor del estudio, publicado hoy en Nanotecnología de la naturaleza.

“Por lo tanto, diseñamos una 'metasuperficie de ondas con fugas' compuesta por dos conjuntos de aberturas rectangulares que tienen una sublongitud de onda desplazada entre sí para controlar de forma independiente estas dos ondas estacionarias. El resultado es que cada onda estacionaria se convierte en una emisión superficial con amplitud y polarización independientes; Juntos, los dos componentes de emisión de superficie se fusionan en una única onda de espacio libre con amplitud, fase y polarización completamente controlables en cada punto sobre su frente de onda”.

De la óptica cuántica a las comunicaciones ópticas y a las pantallas holográficas en 3D

El equipo de Yu demostró experimentalmente múltiples metasuperficies de ondas de fuga que pueden convertir un modo de guía de ondas que se propaga a lo largo de una guía de ondas con una sección transversal del orden de una longitud de onda en una emisión en el espacio libre con un frente de onda de diseño en un área aproximadamente 300 veces la longitud de onda en la red de telecomunicaciones. Longitud de onda de 1,55 micras. Éstas incluyen:

• Una onda con fugas se metaliza y produce un punto focal en el espacio libre. Un dispositivo de este tipo será ideal para formar un enlace óptico de espacio libre de alta capacidad y bajas pérdidas entre chips PIC; También será útil para una sonda optogenética integrada que produzca haces enfocados para estimular ópticamente neuronas ubicadas lejos de la sonda.
• Un generador de red óptica de ondas de fuga que puede producir cientos de puntos focales formando un patrón de red de Kagome en el espacio libre. En general, la metasuperficie de onda fugaz puede producir redes ópticas tridimensionales y aperiódicas complejas para atrapar átomos y moléculas fríos. Esta capacidad permitirá a los investigadores estudiar fenómenos ópticos cuánticos exóticos o realizar simulaciones cuánticas que hasta ahora no eran fácilmente alcanzables con otras plataformas, y les permitirá reducir sustancialmente la complejidad, el volumen y el coste de los dispositivos cuánticos basados en matrices atómicas. Por ejemplo, la metasuperficie de onda fugaz podría integrarse directamente en la cámara de vacío para simplificar el sistema óptico, haciendo posible las aplicaciones portátiles de óptica cuántica, como los relojes atómicos.
• Un generador de haz de vórtice de onda con fugas que produce un haz con un frente de onda en forma de sacacorchos. Esto podría conducir a un enlace óptico en el espacio libre entre edificios que dependa de PIC para procesar la información transportada por la luz, al mismo tiempo que utiliza ondas de luz con frentes de onda conformados para intercomunicación de alta capacidad.
• Un holograma de onda de fuga que puede desplazar cuatro imágenes distintas simultáneamente: dos en el plano del dispositivo (en dos estados de polarización ortogonal) y otras dos a distancia en el espacio libre (también en dos estados de polarización ortogonal). Esta función podría utilizarse para crear gafas de realidad aumentada más ligeras y cómodas y pantallas holográficas 3D más realistas.

La demostración actual de Yu se basa en una plataforma simple de materiales de polímero y nitruro de silicio en longitudes de onda del infrarrojo cercano. Su equipo planea a continuación demostrar dispositivos basados en la plataforma más robusta de nitruro de silicio, que es compatible con los protocolos de fabricación de fundición y tolerante al funcionamiento con alta potencia óptica. También planean demostrar diseños para una alta eficiencia de salida y operación en longitudes de onda visibles, que es más adecuado para aplicaciones como óptica cuántica y pantallas holográficas.