أسطح الموجات المتسربة: واجهة مثالية بين الفضاء الحر والأنظمة البصرية المتكاملة

طور الباحثون في جامعة كولومبيا للهندسة فئة جديدة من الأجهزة الضوئية المتكاملة - "الأسطح الموجية المتسربة" - التي يمكنها تحويل الضوء المحصور في البداية في دليل موجي بصري إلى نمط بصري عشوائي في الفضاء الحر. هذه الأجهزة هي الأولى التي أظهرت التحكم المتزامن في جميع درجات الحرية البصرية الأربع، وهي السعة، والطور، وإهليلجية الاستقطاب، واتجاه الاستقطاب - وهو رقم قياسي عالمي.

لأن الأجهزة رفيعة جدًا وشفافة ومتوافقة مع الدوائر المتكاملة الضوئية (PICs)، يمكن استخدامها لتحسين شاشات العرض الضوئية، LIDAR (كشف الضوء والمدى)، والاتصالات البصرية، والبصريات الكمومية.

قال نانفانغ يو، المشارك: "نحن متحمسون لإيجاد حل أنيق للربط بين بصريات الفضاء الحر والضوئيات المتكاملة - لقد تمت دراسة هاتين المنصتين بشكل تقليدي من قبل باحثين من مجالات فرعية مختلفة من البصريات وأدتا إلى منتجات تجارية تلبي احتياجات مختلفة تمامًا". أستاذ الفيزياء التطبيقية والرياضيات التطبيقية، وهو رائد في أبحاث الأجهزة النانوية.

"يشير عملنا إلى طرق جديدة لإنشاء أنظمة هجينة تستخدم أفضل ما في العالمين - بصريات الفضاء الحر لتشكيل واجهة الموجة للضوء والضوئيات المتكاملة لمعالجة البيانات البصرية - لمعالجة العديد من التطبيقات الناشئة مثل البصريات الكمومية، وعلم البصريات الوراثي، وأجهزة الاستشعار". الشبكات والاتصالات بين الرقائق والشاشات الثلاثية الأبعاد.

سد بصريات الفضاء الحر والضوئيات المتكاملة

يتمثل التحدي الرئيسي المتمثل في التواصل بين صور الصور الفوتوغرافية وبصريات الفضاء الحر في تحويل وضع دليل موجي بسيط محصور داخل دليل موجي - سلسلة رفيعة محددة على شريحة - إلى موجة واسعة في الفضاء الحر ذات واجهة موجية معقدة، والعكس صحيح. واجه فريق يو هذا التحدي من خلال البناء على اختراعهم في الخريف الماضي وهو "الأسطح الخارقة غير المحلية"، وقاموا بتوسيع وظائف الأجهزة من التحكم في موجات الضوء في الفضاء الحر إلى التحكم في الموجات الموجهة.

وعلى وجه التحديد، قاموا بتوسيع وضع الدليل الموجي للإدخال باستخدام تفتق الدليل الموجي إلى وضع الدليل الموجي لوحي - وهي ورقة من الضوء تنتشر على طول الشريحة. قال هيكينغ هوانغ، دكتوراه: "لقد أدركنا أن وضع الدليل الموجي للألواح يمكن أن يتحلل إلى موجتين متعامدتين متعامدتين، وهي موجات تذكرنا بتلك الناتجة عن نتف الخيط". طالب في مختبر يو والمؤلف المشارك الأول للدراسة، التي نشرت اليوم في تكنولوجيا النانو الطبيعة.

"لذلك، قمنا بتصميم "سطح موجة متسرب" يتكون من مجموعتين من الفتحات المستطيلة التي لها طول موجي فرعي مُزاح عن بعضها البعض للتحكم بشكل مستقل في هاتين الموجتين الثابتتين. والنتيجة هي أن كل موجة واقفة تتحول إلى انبعاث سطحي بسعة واستقطاب مستقلين؛ معًا، يندمج مكونا الانبعاث السطحي في موجة واحدة من الفضاء الحر مع سعة وطور واستقطاب يمكن التحكم فيها تمامًا عند كل نقطة على واجهة الموجة.

من البصريات الكمومية إلى الاتصالات البصرية إلى شاشات العرض الثلاثية الأبعاد

أظهر فريق يو بشكل تجريبي العديد من السطوح الموجية المتسربة التي يمكنها تحويل وضع الدليل الموجي الذي ينتشر على طول الدليل الموجي بمقطع عرضي بترتيب طول موجي واحد إلى انبعاث في الفضاء الحر مع واجهة موجة مصممة على مساحة تبلغ حوالي 300 ضعف الطول الموجي في الاتصالات الطول الموجي 1.55 ميكرون. وتشمل هذه:

• موجة معدنية متسربة تنتج نقطة محورية في الفضاء الحر. سيكون مثل هذا الجهاز مثاليًا لتشكيل وصلة ضوئية منخفضة الخسارة وعالية السعة في الفضاء الحر بين شرائح الموافقة المسبقة عن علم؛ سيكون مفيدًا أيضًا للمسبار البصري المتكامل الذي ينتج حزمًا مركزة لتحفيز الخلايا العصبية الموجودة بعيدًا عن المسبار بصريًا.
• مولد شبكي بصري ذو موجة متسربة يمكنه إنتاج مئات من النقاط البؤرية التي تشكل نمطًا شبكيًا Kagome في المساحة الحرة. بشكل عام، يمكن لسطح الموجة المتسرب أن ينتج شبكات بصرية معقدة غير دورية وثلاثية الأبعاد لاحتجاز الذرات والجزيئات الباردة. ستمكن هذه القدرة الباحثين من دراسة الظواهر البصرية الكمومية الغريبة أو إجراء عمليات محاكاة كمومية لا يمكن تحقيقها بسهولة حتى الآن باستخدام منصات أخرى، وتمكنهم من تقليل تعقيد وحجم وتكلفة الأجهزة الكمومية القائمة على المصفوفة الذرية بشكل كبير. على سبيل المثال، يمكن دمج سطح الموجة المتسرب مباشرةً في الحجرة المفرغة لتبسيط النظام البصري، مما يجعل تطبيقات البصريات الكمومية المحمولة، مثل الساعات الذرية، أمرًا ممكنًا.
• مولد شعاع دوامي ذو موجة متسربة ينتج شعاعًا بواجهة موجية على شكل لولبي. يمكن أن يؤدي هذا إلى إنشاء رابط بصري في الفضاء الحر بين المباني التي تعتمد على صور PIC لمعالجة المعلومات التي يحملها الضوء، مع استخدام أيضًا موجات الضوء مع واجهات موجية مشكلة للاتصالات ذات السعة العالية.
• صورة ثلاثية الأبعاد للموجة المتسربة يمكنها إزاحة أربع صور متميزة في وقت واحد: اثنتان على مستوى الجهاز (في حالتي استقطاب متعامدين) واثنتان أخريان على مسافة في مساحة فارغة (أيضًا في حالتين من الاستقطاب المتعامد). يمكن استخدام هذه الوظيفة لصنع نظارات واقع معزز أخف وزنًا وأكثر راحة وشاشات عرض ثلاثية الأبعاد أكثر واقعية.

يعتمد عرض يو الحالي على منصة بسيطة من مواد نيتريد البوليمر والسيليكون بأطوال موجية قريبة من الأشعة تحت الحمراء. ويخطط فريقه بعد ذلك لعرض أجهزة تعتمد على منصة نيتريد السيليكون الأكثر قوة، والتي تتوافق مع بروتوكولات تصنيع المسبك وتتحمل تشغيل الطاقة الضوئية العالية. ويخططون أيضًا لعرض تصميمات لكفاءة الإخراج العالية والتشغيل بأطوال موجية مرئية، وهو أكثر ملاءمة لتطبيقات مثل البصريات الكمومية وعروض ثلاثية الأبعاد.