Siêu bề mặt sóng rò rỉ: Một giao diện hoàn hảo giữa hệ thống quang học tích hợp và không gian tự do

Các nhà nghiên cứu tại Columbia Engineering đã phát triển một loại thiết bị quang tử tích hợp mới—”siêu bề mặt sóng rò rỉ”—có thể chuyển đổi ánh sáng ban đầu bị giới hạn trong ống dẫn sóng quang thành dạng quang học tùy ý trong không gian tự do. Những thiết bị này là thiết bị đầu tiên thể hiện khả năng điều khiển đồng thời cả bốn bậc tự do quang học, đó là biên độ, pha, độ elip phân cực và hướng phân cực—một kỷ lục thế giới.

Bởi vì các thiết bị này rất mỏng, trong suốt và tương thích với mạch tích hợp quang tử (PIC), chúng có thể được sử dụng để cải thiện màn hình quang học, LIDAR (Phát hiện ánh sáng và phạm vi), truyền thông quang học và quang học lượng tử.

Nanfang Yu, cộng sự cho biết: “Chúng tôi rất vui mừng khi tìm ra một giải pháp tinh tế để kết nối quang học không gian tự do và quang tử tích hợp. Hai nền tảng này theo truyền thống đã được các nhà nghiên cứu từ các lĩnh vực quang học khác nhau nghiên cứu và đã dẫn đến các sản phẩm thương mại đáp ứng các nhu cầu hoàn toàn khác nhau”. giáo sư vật lý ứng dụng và toán ứng dụng, người đi đầu trong nghiên cứu về các thiết bị quang tử nano.

“Công việc của chúng tôi chỉ ra những cách mới để tạo ra các hệ thống lai tận dụng tốt nhất cả hai thế giới—quang học không gian tự do để định hình mặt sóng ánh sáng và quang tử tích hợp để xử lý dữ liệu quang học—để giải quyết nhiều ứng dụng mới nổi như quang học lượng tử, quang học, cảm biến.” mạng, thông tin liên lạc giữa các chip và màn hình ba chiều.”

Kết nối quang học không gian tự do và quang tử tích hợp

Thách thức chính của việc kết nối PIC và quang học không gian tự do là chuyển đổi chế độ ống dẫn sóng đơn giản được giới hạn trong ống dẫn sóng—một gờ mỏng được xác định trên chip—thành sóng không gian tự do rộng với mặt sóng phức tạp và ngược lại. Nhóm của Yu đã giải quyết thách thức này bằng cách phát triển dựa trên phát minh vào mùa thu năm ngoái về “siêu bề mặt phi tiêu điểm” và mở rộng chức năng của thiết bị từ điều khiển sóng ánh sáng trong không gian tự do sang điều khiển sóng dẫn hướng.

Cụ thể, họ đã mở rộng chế độ ống dẫn sóng đầu vào bằng cách sử dụng ống dẫn sóng dạng côn thành chế độ ống dẫn sóng dạng tấm—một tấm ánh sáng truyền dọc theo con chip. Heqing Huang, một tiến sĩ cho biết: “Chúng tôi nhận ra rằng chế độ ống dẫn sóng dạng tấm có thể bị phân tách thành hai sóng đứng trực giao – những sóng gợi nhớ đến những sóng được tạo ra khi gảy một sợi dây”. sinh viên trong phòng thí nghiệm của Yu và là đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, được xuất bản hôm nay trên tạp chí Công nghệ nano tự nhiên.

“Do đó, chúng tôi đã thiết kế một 'siêu bề mặt sóng rò rỉ' bao gồm hai bộ khẩu độ hình chữ nhật có bước sóng dưới bước sóng lệch nhau để điều khiển độc lập hai sóng dừng này. Kết quả là mỗi sóng đứng được chuyển thành phát xạ bề mặt có biên độ và độ phân cực độc lập; cùng với nhau, hai thành phần phát xạ bề mặt hợp nhất thành một sóng không gian tự do duy nhất với biên độ, pha và độ phân cực hoàn toàn có thể kiểm soát được tại mỗi điểm trên mặt sóng của nó.”

Từ quang học lượng tử đến truyền thông quang học đến màn hình ba chiều 3D

Nhóm của Yu đã chứng minh bằng thực nghiệm nhiều siêu bề mặt sóng rò rỉ có thể chuyển đổi chế độ ống dẫn sóng truyền dọc theo ống dẫn sóng có tiết diện theo thứ tự một bước sóng thành phát xạ trong không gian tự do với mặt sóng được thiết kế trên một khu vực gấp khoảng 300 lần bước sóng tại viễn thông. bước sóng 1,55 micron. Bao gồm các:

• Một kim loại sóng rò rỉ tạo ra một tiêu điểm trong không gian trống. Một thiết bị như vậy sẽ là thiết bị lý tưởng để hình thành liên kết quang không gian tự do dung lượng cao, tổn thất thấp giữa các chip PIC; nó cũng sẽ hữu ích cho một đầu dò quang di truyền tích hợp tạo ra các chùm tia tập trung để kích thích quang học các tế bào thần kinh nằm ở xa đầu dò.
• Một máy tạo mạng quang học sóng rò có thể tạo ra hàng trăm tiêu điểm tạo thành mô hình mạng Kagome trong không gian trống. Nhìn chung, siêu bề mặt sóng rò rỉ có thể tạo ra các mạng quang học ba chiều và không định kỳ phức tạp để bẫy các nguyên tử và phân tử lạnh. Khả năng này sẽ cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu các hiện tượng quang học lượng tử kỳ lạ hoặc tiến hành mô phỏng lượng tử mà cho đến nay không dễ đạt được bằng các nền tảng khác, đồng thời cho phép họ giảm đáng kể độ phức tạp, khối lượng và chi phí của các thiết bị lượng tử dựa trên mảng nguyên tử. Ví dụ, siêu bề mặt sóng rò rỉ có thể được tích hợp trực tiếp vào buồng chân không để đơn giản hóa hệ thống quang học, tạo ra các ứng dụng quang học lượng tử di động, chẳng hạn như đồng hồ nguyên tử, có khả năng xảy ra.
• Máy tạo chùm tia xoáy dạng sóng rò rỉ tạo ra chùm tia có mặt trước sóng hình xoắn ốc. Điều này có thể dẫn đến một liên kết quang học không gian trống giữa các tòa nhà dựa vào PIC để xử lý thông tin được truyền bởi ánh sáng, đồng thời sử dụng sóng ánh sáng với mặt sóng định hình để liên lạc dung lượng cao.
• Hình ba chiều sóng rò có thể dịch chuyển đồng thời bốn hình ảnh riêng biệt: hai hình ảnh trên mặt phẳng thiết bị (ở hai trạng thái phân cực trực giao) và hai hình ảnh khác ở khoảng cách trong không gian trông (cũng ở hai trạng thái phân cực trực giao). Chức năng này có thể được sử dụng để tạo ra kính thực tế tăng cường nhẹ hơn, thoải mái hơn và màn hình ba chiều 3D chân thực hơn.

Trình diễn hiện tại của Yu dựa trên nền tảng vật liệu nitrit polyme-silic đơn giản ở bước sóng gần hồng ngoại. Nhóm của ông dự định tiếp theo sẽ trình diễn các thiết bị dựa trên nền tảng silicon nitride mạnh mẽ hơn, tương thích với các giao thức chế tạo đúc và có khả năng chịu được hoạt động năng lượng quang học cao. Họ cũng có kế hoạch trình diễn các thiết kế có hiệu suất đầu ra cao và hoạt động ở bước sóng khả kiến, phù hợp hơn cho các ứng dụng như quang học lượng tử và màn hình ba chiều.