Метаповерхности вытекающих волн: идеальный интерфейс между свободным пространством и интегрированными оптическими системами

Исследователи из Columbia Engineering разработали новый класс интегрированных фотонных устройств — «метаповерхностей вытекающих волн», — которые могут преобразовывать свет, первоначально заключенный в оптическом волноводе, в произвольную оптическую структуру в свободном пространстве. Эти устройства впервые продемонстрировали одновременный контроль всех четырех оптических степеней свободы, а именно амплитуды, фазы, эллиптичности поляризации и ориентации поляризации, что является мировым рекордом.

Поскольку устройства такие тонкие, прозрачные и совместимые с фотонные интегральные схемы (PIC), их можно использовать для улучшения оптических дисплеев, LIDAR (обнаружение света и определение дальности), оптической связи и квантовой оптики.

«Мы очень рады найти элегантное решение для сопряжения оптики в свободном пространстве и интегрированной фотоники — эти две платформы традиционно изучались исследователями из разных областей оптики и привели к созданию коммерческих продуктов, удовлетворяющих совершенно разные потребности», — сказал Наньфан Ю, научный сотрудник профессор прикладной физики и прикладной математики, лидер в исследованиях нанофотонных устройств.

«Наша работа указывает на новые способы создания гибридных систем, которые используют лучшее из обоих миров — оптику свободного пространства для формирования волнового фронта света и интегрированную фотонику для оптической обработки данных — для решения многих новых приложений, таких как квантовая оптика, оптогенетика, сенсорика. сети, межчиповая связь и голографические дисплеи».

Соединение оптики свободного пространства и интегрированной фотоники

Основная задача взаимодействия PIC и оптики свободного пространства состоит в том, чтобы преобразовать простую волноводную моду, заключенную внутри волновода (тонкий гребень, определенный на кристалле), в широкую волну в свободном пространстве со сложным волновым фронтом, и наоборот. Команда Ю решила эту задачу, опираясь на изобретение прошлой осенью «нелокальных метаповерхностей» и расширив функциональность устройств от управления световыми волнами в свободном пространстве до управления направленными волнами.

В частности, они расширили режим входного волновода, используя сужающийся волновод до режима пластинчатого волновода — слоя света, распространяющегося вдоль чипа. «Мы поняли, что моду плоского волновода можно разложить на две ортогональные стоячие волны — волны, напоминающие волны, возникающие при передергивании струны», — сказал Хэцин Хуан, доктор философии. студент лаборатории Ю и соавтор исследования, опубликованного сегодня в Природные нанотехнологии.

«Поэтому мы разработали «метаповерхность вытекающих волн», состоящую из двух наборов прямоугольных апертур, которые имеют субволновое смещение друг от друга, чтобы независимо управлять этими двумя стоячими волнами. В результате каждая стоячая волна преобразуется в поверхностное излучение с независимой амплитудой и поляризацией; вместе два компонента поверхностного излучения сливаются в одну волну в свободном пространстве с полностью контролируемой амплитудой, фазой и поляризацией в каждой точке волнового фронта».

От квантовой оптики до оптической связи и голографических 3D-дисплеев

Команда Ю экспериментально продемонстрировала несколько метаповерхностей вытекающих волн, которые могут преобразовывать волноводную моду, распространяющуюся по волноводу с поперечным сечением порядка одной длины волны, в излучение в свободном пространстве с заданным волновым фронтом на площади, примерно в 300 раз превышающей длину волны в телекоммуникационных сетях. длина волны 1,55 микрон. К ним относятся:

• Металинза с вытекающей волной, создающая фокусное пятно в свободном пространстве. Такое устройство будет идеальным для формирования оптического канала связи в свободном пространстве с низкими потерями и высокой пропускной способностью между чипами PIC; он также будет полезен для интегрированного оптогенетического зонда, который производит сфокусированные лучи для оптической стимуляции нейронов, расположенных далеко от зонда.
• Генератор вытекающих волн на оптической решетке, который может создавать сотни фокальных пятен, образующих структуру решетки Кагоме в свободном пространстве. В целом метаповерхность вытекающих волн может создавать сложные апериодические и трехмерные оптические решетки для улавливания холодных атомов и молекул. Эта возможность позволит исследователям изучать экзотические квантово-оптические явления или проводить квантовое моделирование, которое до сих пор было трудно достижимо с помощью других платформ, а также позволит им существенно снизить сложность, объем и стоимость квантовых устройств на основе атомных матриц. Например, метаповерхность вытекающих волн может быть непосредственно интегрирована в вакуумную камеру, чтобы упростить оптическую систему, что сделает возможным применение портативных квантовых оптики, таких как атомные часы.
• Генератор вихревого луча вытекающей волны, создающий луч с волновым фронтом в форме штопора. Это может привести к созданию оптической связи в свободном пространстве между зданиями, которая будет использовать PIC для обработки информации, передаваемой светом, а также с использованием световые волны с профилированными волновыми фронтами для высокопроизводительной связи.
• Голограмма вытекающей волны, способная одновременно смещать четыре различных изображения: два в плоскости устройства (в двух ортогональных состояниях поляризации) и еще два на расстоянии в свободное место (также при двух ортогональных состояниях поляризации). Эту функцию можно использовать для создания более легких и удобных очков дополненной реальности и более реалистичных голографических 3D-дисплеев.

Текущая демонстрация Ю основана на простой платформе из полимер-нитрида кремния на длинах волн, близких к инфракрасному. Его команда планирует затем продемонстрировать устройства на основе более надежной платформы из нитрида кремния, которая совместима с протоколами литейного производства и устойчива к работе с высокой оптической мощностью. Они также планируют продемонстрировать конструкции, обеспечивающие высокую выходную эффективность и работу в видимом диапазоне волн, что больше подходит для таких приложений, как квантовая оптика и голографические дисплеи.