Leckwellen-Metaoberflächen: Eine perfekte Schnittstelle zwischen Freiraum- und integrierten optischen Systemen

Forscher von Columbia Engineering haben eine neue Klasse integrierter photonischer Geräte entwickelt – „Leaky-Wave-Metaoberflächen“ –, die Licht, das ursprünglich in einem optischen Wellenleiter eingeschlossen war, in ein beliebiges optisches Muster im freien Raum umwandeln können. Diese Geräte sind die ersten, die eine gleichzeitige Steuerung aller vier optischen Freiheitsgrade, nämlich Amplitude, Phase, Polarisationselliptizität und Polarisationsorientierung, demonstrieren – ein Weltrekord.

Weil die Geräte so dünn, transparent und kompatibel sind Photonische integrierte Schaltkreise (PICs) können sie zur Verbesserung optischer Displays, LIDAR (Light Detection and Ranging), optischer Kommunikation und Quantenoptik eingesetzt werden.

„Wir freuen uns, eine elegante Lösung für die Verbindung von Freiraumoptik und integrierter Photonik zu finden – diese beiden Plattformen wurden traditionell von Forschern aus verschiedenen Teilbereichen der Optik untersucht und haben zu kommerziellen Produkten geführt, die völlig unterschiedliche Anforderungen erfüllen“, sagte Nanfang Yu, Associate Professor für angewandte Physik und angewandte Mathematik, der führend in der Forschung zu nanophotonischen Geräten ist.

„Unsere Arbeit weist auf neue Wege zur Schaffung hybrider Systeme hin, die das Beste aus beiden Welten nutzen – Freiraumoptik zur Formung der Wellenfront des Lichts und integrierte Photonik für die optische Datenverarbeitung –, um viele neue Anwendungen wie Quantenoptik, Optogenetik und Sensorik abzudecken.“ Netzwerke, Inter-Chip-Kommunikation und holografische Displays.“

Eine Brücke zwischen Freiraumoptik und integrierter Photonik

Die größte Herausforderung bei der Verbindung von PICs und Freiraumoptiken besteht darin, einen einfachen Wellenleitermodus, der in einem Wellenleiter – einem dünnen, auf einem Chip definierten Grat – eingeschlossen ist, in eine breite Freiraumwelle mit einer komplexen Wellenfront umzuwandeln und umgekehrt. Yus Team ging diese Herausforderung an, indem es auf seiner Erfindung der „nichtlokalen Metaoberflächen“ vom letzten Herbst aufbaute und die Funktionalität der Geräte von der Steuerung von Lichtwellen im freien Raum auf die Steuerung von geführten Wellen erweiterte.

Konkret erweiterten sie den Eingangswellenleitermodus durch die Verwendung einer Wellenleiterverjüngung zu einem Slab-Wellenleitermodus – einer Lichtschicht, die sich entlang des Chips ausbreitet. „Wir haben erkannt, dass der Slab-Wellenleitermodus in zwei orthogonale stehende Wellen zerlegt werden kann – Wellen, die an diejenigen erinnern, die beim Zupfen einer Saite erzeugt werden“, sagte Heqing Huang, ein Ph.D. Student in Yus Labor und Co-Erstautor der Studie, die heute veröffentlicht wurde Natur-Nanotechnologie.

„Deshalb haben wir eine ‚Leaky-Wave-Metaoberfläche‘ entworfen, die aus zwei Sätzen rechteckiger Aperturen besteht, die um eine Subwellenlänge voneinander versetzt sind, um diese beiden stehenden Wellen unabhängig zu steuern. Das Ergebnis ist, dass jede stehende Welle in eine Oberflächenemission mit unabhängiger Amplitude und Polarisation umgewandelt wird; Zusammen verschmelzen die beiden Oberflächenemissionskomponenten zu einer einzigen Freiraumwelle mit vollständig steuerbarer Amplitude, Phase und Polarisation an jedem Punkt ihrer Wellenfront.“

Von Quantenoptik über optische Kommunikation bis hin zu holografischen 3D-Displays

Yus Team demonstrierte experimentell mehrere Leckwellen-Metaoberflächen, die einen Wellenleitermodus, der sich entlang eines Wellenleiters mit einem Querschnitt in der Größenordnung einer Wellenlänge ausbreitet, in eine Freiraumemission mit einer Designer-Wellenfront über einen Bereich von etwa dem 300-fachen der Wellenlänge bei der Telekommunikation umwandeln können Wellenlänge von 1,55 Mikrometern. Diese beinhalten:

• Eine Leckwellen-Metalens, die einen Brennpunkt im freien Raum erzeugt. Ein solches Gerät eignet sich ideal für die Herstellung einer verlustarmen optischen Freiraumverbindung mit hoher Kapazität zwischen PIC-Chips. Es wird auch für eine integrierte optogenetische Sonde nützlich sein, die fokussierte Strahlen erzeugt, um weit von der Sonde entfernte Neuronen optisch zu stimulieren.
• Ein optischer Leckwellen-Gittergenerator, der Hunderte von Brennpunkten erzeugen kann, die im freien Raum ein Kagome-Gittermuster bilden. Im Allgemeinen kann die Leckwellen-Metaoberfläche komplexe aperiodische und dreidimensionale optische Gitter erzeugen, um kalte Atome und Moleküle einzufangen. Diese Fähigkeit wird es Forschern ermöglichen, exotische quantenoptische Phänomene zu untersuchen oder Quantensimulationen durchzuführen, die bisher mit anderen Plattformen nicht einfach möglich waren, und es ihnen ermöglichen, die Komplexität, das Volumen und die Kosten von Quantengeräten auf Atomarray-Basis erheblich zu reduzieren. Beispielsweise könnte die Leckwellen-Metaoberfläche direkt in die Vakuumkammer integriert werden, um das optische System zu vereinfachen und tragbare Quantenoptikanwendungen wie Atomuhren möglich zu machen.
• Ein Leckwellen-Wirbelstrahlgenerator, der einen Strahl mit einer korkenzieherförmigen Wellenfront erzeugt. Dies könnte zu einer optischen Freiraumverbindung zwischen Gebäuden führen, die auf PICs angewiesen ist, um die vom Licht übertragenen Informationen zu verarbeiten und gleichzeitig zu nutzen Lichtwellen mit geformten Wellenfronten für leistungsstarke Interkommunikation.
• Ein Leckwellenhologramm, das vier verschiedene Bilder gleichzeitig verschieben kann: zwei auf der Geräteebene (bei zwei orthogonalen Polarisationszuständen) und zwei weitere in einiger Entfernung in der Geräteebene Freiraum (auch bei zwei orthogonalen Polarisationszuständen). Diese Funktion könnte genutzt werden, um leichtere, komfortablere Augmented-Reality-Brillen und realistischere holografische 3D-Displays herzustellen.

Yus aktuelle Demonstration basiert auf einer einfachen Polymer-Siliziumnitrid-Materialplattform bei Wellenlängen im nahen Infrarot. Als nächstes plant sein Team, Geräte zu demonstrieren, die auf der robusteren Siliziumnitrid-Plattform basieren, die mit Gießerei-Fertigungsprotokollen kompatibel ist und den Betrieb mit hoher optischer Leistung toleriert. Sie planen außerdem, Designs für eine hohe Ausgangseffizienz und den Betrieb bei sichtbaren Wellenlängen zu demonstrieren, was für Anwendungen wie z. B. besser geeignet ist Quantenoptik und holografische Displays.