metasurfaces คลื่นรั่ว: อินเทอร์เฟซที่สมบูรณ์แบบระหว่างพื้นที่ว่างและระบบออปติคัลแบบรวม

นักวิจัยจาก Columbia Engineering ได้พัฒนาอุปกรณ์โฟโตนิกแบบบูรณาการแบบใหม่ที่เรียกว่า metasurfaces คลื่นรั่ว ซึ่งสามารถเปลี่ยนแสงที่ถูกจำกัดอยู่ในท่อนำคลื่นแสงให้เป็นรูปแบบแสงตามอำเภอใจในพื้นที่ว่าง อุปกรณ์เหล่านี้เป็นอุปกรณ์ชิ้นแรกที่แสดงให้เห็นถึงการควบคุมองศาอิสระของแสงทั้งสี่พร้อมกัน กล่าวคือ แอมพลิจูด เฟส วงรีโพลาไรเซชัน และการวางแนวโพลาไรซ์ ซึ่งถือเป็นสถิติโลก

เพราะตัวเครื่องมีความบาง โปร่งใส และเข้ากันได้ด้วย วงจรรวมโฟโตนิก (PIC) สามารถใช้เพื่อปรับปรุงการแสดงผลแบบออพติคอล LIDAR (การตรวจจับแสงและการกำหนดระยะ) การสื่อสารแบบออปติก และออปติกควอนตัม

“เรารู้สึกตื่นเต้นที่ได้พบกับโซลูชันที่หรูหราสำหรับการเชื่อมต่อเลนส์ในพื้นที่ว่างและโฟโตนิกแบบรวม แพลตฟอร์มทั้งสองนี้ได้รับการศึกษาโดยผู้ตรวจสอบจากสาขาย่อยด้านทัศนศาสตร์ที่แตกต่างกัน และได้นำไปสู่ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์ที่ตอบสนองความต้องการที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง” Nanfang Yu ผู้ร่วมงานกล่าว ศาสตราจารย์สาขาฟิสิกส์ประยุกต์และคณิตศาสตร์ประยุกต์ซึ่งเป็นผู้นำด้านการวิจัยเกี่ยวกับอุปกรณ์นาโนโฟโตนิก

“งานของเราชี้ให้เห็นถึงวิธีการใหม่ๆ ในการสร้างระบบไฮบริดที่ใช้สิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองโลก—ออพติกพื้นที่ว่างสำหรับการสร้างคลื่นแสงและโฟโตนิกแบบบูรณาการสำหรับการประมวลผลข้อมูลออปติคอล—เพื่อจัดการกับการใช้งานที่เกิดขึ้นใหม่มากมาย เช่น ออปติกควอนตัม ออพโตเจเนติกส์ เซ็นเซอร์ เครือข่าย การสื่อสารระหว่างชิป และการแสดงโฮโลแกรม”

การเชื่อมโยงเลนส์พื้นที่ว่างและโฟโตนิกส์แบบรวม

ความท้าทายหลักของการเชื่อมต่อ PIC และออปติกพื้นที่ว่างคือการแปลงโหมดท่อนำคลื่นแบบธรรมดาที่ถูกจำกัดอยู่ภายในท่อนำคลื่น ซึ่งเป็นสันบางๆ ที่กำหนดบนชิป ให้กลายเป็นคลื่นพื้นที่ว่างกว้างที่มีหน้าคลื่นที่ซับซ้อน และในทางกลับกัน ทีมงานของ Yu จัดการกับความท้าทายนี้โดยต่อยอดสิ่งประดิษฐ์ของพวกเขาในฤดูใบไม้ร่วงปีที่แล้วของ "เมตาเซอร์เฟสที่ไม่ใช่ในพื้นที่" และขยายฟังก์ชันการทำงานของอุปกรณ์จากการควบคุมคลื่นแสงในพื้นที่ว่างไปจนถึงการควบคุมคลื่นนำทาง

โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พวกเขาขยายโหมดท่อนำคลื่นอินพุตโดยใช้ท่อนำคลื่นเรียวลงในโหมดท่อนำคลื่นแบบแผ่น ซึ่งเป็นแผ่นแสงที่แพร่กระจายไปตามชิป "เราตระหนักได้ว่าโหมดท่อนำคลื่นแบบแผ่นพื้นสามารถแบ่งออกเป็นคลื่นยืนตั้งฉากได้ 2 คลื่น ซึ่งเป็นคลื่นที่ชวนให้นึกถึงคลื่นที่เกิดจากการดึงเชือก" Heqing Huang ปริญญาเอกกล่าว นักเรียนในห้องทดลองของ Yu และเป็นผู้เขียนร่วมคนแรกของการศึกษา ซึ่งเผยแพร่ในวันนี้ที่ นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ.

“ดังนั้นเราจึงออกแบบ 'เมตาเซอร์เฟซคลื่นรั่ว' ซึ่งประกอบด้วยช่องรับแสงสี่เหลี่ยมสองชุดที่มีความยาวคลื่นย่อยจากกันเพื่อควบคุมคลื่นนิ่งทั้งสองนี้อย่างอิสระ ผลที่ได้คือคลื่นนิ่งแต่ละคลื่นจะถูกแปลงเป็นการปล่อยคลื่นพื้นผิวด้วยแอมพลิจูดและโพลาไรเซชันที่เป็นอิสระ เมื่อรวมกันแล้ว ส่วนประกอบการปล่อยแสงที่พื้นผิวทั้งสองจะรวมกันเป็นคลื่นพื้นที่ว่างเพียงคลื่นเดียว โดยมีแอมพลิจูด เฟส และโพลาไรเซชันที่ควบคุมได้อย่างสมบูรณ์ในแต่ละจุดที่อยู่เหนือหน้าคลื่น”

จากควอนตัมออปติกไปจนถึงการสื่อสารด้วยแสงไปจนถึงการแสดงโฮโลแกรม 3 มิติ

ทีมงานของ Yu ทดลองสาธิต metasurfaces คลื่นรั่วหลายจุดซึ่งสามารถแปลงโหมดท่อนำคลื่นที่แพร่กระจายไปตามท่อนำคลื่นด้วยส่วนตัดขวางตามลำดับความยาวคลื่นหนึ่งไปสู่การปล่อยพื้นที่ว่างโดยมีหน้าคลื่นของนักออกแบบเหนือพื้นที่ประมาณ 300 เท่าของความยาวคลื่นที่โทรคมนาคม ความยาวคลื่น 1.55 ไมครอน ซึ่งรวมถึง:

• โลหะที่เป็นคลื่นรั่วซึ่งสร้างจุดโฟกัสในพื้นที่ว่าง อุปกรณ์ดังกล่าวจะเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการสร้างการเชื่อมต่อแบบออปติคัลพื้นที่ว่างที่มีการสูญเสียต่ำและมีความจุสูงระหว่างชิป PIC นอกจากนี้ยังจะมีประโยชน์สำหรับโพรบออพโตเจเนติกแบบบูรณาการที่สร้างลำแสงโฟกัสเพื่อกระตุ้นเซลล์ประสาทแบบออปติกซึ่งอยู่ห่างจากโพรบ
• เครื่องกำเนิดโครงข่ายแสงแบบคลื่นรั่วที่สามารถสร้างจุดโฟกัสได้หลายร้อยจุดซึ่งสร้างรูปแบบโครงตาข่าย Kagome ในพื้นที่ว่าง โดยทั่วไป metasurface ของคลื่นที่รั่วไหลสามารถสร้างโครงข่ายเชิงแสงแบบอะคาเรียดและสามมิติที่ซับซ้อนเพื่อดักจับอะตอมและโมเลกุลที่เย็น ความสามารถนี้จะช่วยให้นักวิจัยสามารถศึกษาปรากฏการณ์ทางแสงควอนตัมที่แปลกใหม่ หรือทำการจำลองควอนตัมซึ่งจนบัดนี้ไม่สามารถบรรลุได้โดยง่ายด้วยแพลตฟอร์มอื่น และช่วยให้พวกเขาสามารถลดความซับซ้อน ปริมาณ และต้นทุนของอุปกรณ์ควอนตัมที่ใช้อะตอมมิกอาเรย์ได้อย่างมาก ตัวอย่างเช่น metasurface คลื่นรั่วสามารถรวมเข้ากับห้องสุญญากาศได้โดยตรงเพื่อลดความซับซ้อนของระบบออปติคอล ทำให้มีความเป็นไปได้ในการใช้งานควอนตัมออปติกแบบพกพา เช่น นาฬิกาอะตอม
• เครื่องกำเนิดลำแสงน้ำวนแบบคลื่นรั่วที่สร้างลำแสงที่มีหน้าคลื่นเป็นรูปเกลียวเหล็กไขจุก สิ่งนี้อาจนำไปสู่การเชื่อมโยงทางแสงในพื้นที่ว่างระหว่างอาคารที่ต้องอาศัย PIC ในการประมวลผลข้อมูลที่ส่งผ่านแสง ในขณะเดียวกันก็ใช้ คลื่นแสง ด้วยรูปทรงคลื่นสำหรับการสื่อสารภายในที่มีความจุสูง
• โฮโลแกรมคลื่นรั่วที่สามารถแทนที่ภาพที่แตกต่างกันสี่ภาพพร้อมกัน: สองภาพที่ระนาบอุปกรณ์ (ที่สถานะโพลาไรเซชันมุมฉากสองภาพ) และอีกสองภาพที่ระยะห่างใน ที่ว่าง (เช่นเดียวกับที่สถานะโพลาไรซ์แบบตั้งฉากสองสถานะด้วย) ฟังก์ชันนี้สามารถใช้เพื่อสร้างแว่นตาความเป็นจริงเสริมที่เบาและสบายยิ่งขึ้น และการแสดงภาพสามมิติแบบโฮโลแกรมที่สมจริงยิ่งขึ้น

การสาธิตในปัจจุบันของ Yu ขึ้นอยู่กับแพลตฟอร์มวัสดุโพลีเมอร์-ซิลิคอนไนไตรด์อย่างง่ายที่ความยาวคลื่นใกล้อินฟราเรด ทีมงานของเขาวางแผนต่อไปในการสาธิตอุปกรณ์ที่ใช้แพลตฟอร์มซิลิคอนไนไตรด์ที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น ซึ่งเข้ากันได้กับโปรโตคอลการผลิตโรงหล่อ และทนทานต่อการทำงานของพลังงานแสงสูง พวกเขายังวางแผนที่จะสาธิตการออกแบบเพื่อประสิทธิภาพเอาต์พุตสูงและการทำงานที่ความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ ซึ่งเหมาะสำหรับการใช้งานเช่น เลนส์ควอนตัม และการแสดงภาพโฮโลแกรม