Des chercheurs de Columbia Engineering ont développé une nouvelle classe de dispositifs photoniques intégrés – les “métasurfaces à ondes de fuite” – capables de convertir la lumière initialement confinée dans un guideline d’ondes optique en un motif optique arbitraire dans l’espace libre. Ces dispositifs sont les premiers à démontrer le contrôle simultané des quatre degrés de liberté optiques, à savoir l’amplitude, la phase, l’ellipticité de polarisation et l’orientation de polarisation. — un file du monde. Parce que les dispositifs sont si fins, transparents et compatibles avec les circuits intégrés photoniques (PIC), ils peuvent être utilisés pour améliorer les affichages optiques, le LIDAR (Mild Detection and Ranging), les communications optiques et l’optique quantique.
« Nous sommes ravis de trouver une alternative élégante pour interfacer l’optique en espace libre et la photonique intégrée – ces deux plates-formes ont traditionnellement été étudiées par des chercheurs de différents sous-domaines de l’optique et ont conduit à des produits commerciaux répondant à des besoins complètement différents », a déclaré Nanfang Yu, professeur agrégé de physique appliquée et de mathématiques appliquées, chef de file de la recherche sur les dispositifs nanophotoniques. “Notre travail indique de nouvelles façons de créer des systèmes hybrides qui utilisent le meilleur des deux mondes – l’optique en espace libre pour façonner le entrance d’onde de la lumière et la photonique intégrée pour le traitement des données optiques – pour répondre à de nombreuses apps émergentes telles que l’optique quantique, l’optogénétique, les réseaux de capteurs, les communications inter-puces et les affichages holographiques.”
Combler l’optique en espace libre et la photonique intégrée
Le principal défi de l’interfaçage des PIC et de l’optique en espace libre est de transformer un mode de information d’ondes easy confiné dans un guideline d’ondes – une fantastic crête définie sur une puce – en une massive onde en espace libre avec un entrance d’onde complexe, et vice versa. L’équipe de Yu a relevé ce défi en s’appuyant sur leur invention l’automne dernier de “métasurfaces non locales” et a étendu la fonctionnalité des appareils du contrôle des ondes lumineuses en espace libre au contrôle des ondes guidées.
In addition précisément, ils ont étendu le manner de guide d’ondes d’entrée en utilisant un tutorial d’ondes conique dans un manner de guide d’ondes en plaque – une nappe de lumière se propageant le extended de la puce. “Nous avons réalisé que le manner de information d’ondes en dalle peut être décomposé en deux ondes stationnaires orthogonales – des ondes qui rappellent celles produites en pinçant une corde”, a déclaré Heqing Huang, doctorant au laboratoire de Yu et co-leading auteur de l’étude, publiée aujourd’hui. en nanotechnologie de la character. “Par conséquent, nous avons conçu une” métasurface à ondes de fuite “composée de deux ensembles d’ouvertures rectangulaires qui ont une sous-longueur d’onde décalée l’une de l’autre pour contrôler indépendamment ces deux ondes stationnaires. Le résultat est que chaque onde stationnaire est convertie en une émission de area avec une émission indépendante. amplitude et polarisation ensemble, les deux composants d’émission de area fusionnent en une seule onde d’espace libre avec une amplitude, une section et une polarisation entièrement contrôlables à chaque stage de son front d’onde.”
De l’optique quantique aux communications optiques en passant par les écrans 3D holographiques
L’équipe de Yu a démontré expérimentalement plusieurs métasurfaces à ondes de fuite capables de convertir un mode de guide d’ondes se propageant le extensive d’un manual d’ondes avec une section transversale de l’ordre d’une longueur d’onde en émission dans l’espace libre avec un front d’onde de concepteur sur une zone d’environ 300 fois la longueur d’onde au télécom longueur d’onde de 1,55 microns. Ceux-ci inclus:
Un métalène à ondes de fuite qui produit un place focal dans l’espace libre. Un tel dispositif sera idéal pour previous une liaison optique en espace libre à faible perte et à grande capacité entre des puces PIC il sera également utile pour une sonde optogénétique intégrée qui produit des faisceaux focalisés pour stimuler optiquement des neurones situés loin de la sonde.
Générateur de réseau optique à ondes de fuite qui peut produire des centaines de factors focaux formant un réseau de Kagome dans l’espace libre. En général, la métasurface à ondes de fuite peut produire des réseaux optiques apériodiques et tridimensionnels complexes pour piéger les atomes et molécules froids. Cette capacité permettra aux chercheurs d’étudier des phénomènes optiques quantiques exotiques ou de mener des simulations quantiques jusqu’ici difficilement réalisables avec d’autres plates-formes, et leur permettra de réduire considérablement la complexité, le quantity et le coût des dispositifs quantiques basés sur des réseaux atomiques. Par exemple, la métasurface à ondes de fuite pourrait être directement intégrée dans la chambre à vide pour simplifier le système optique, rendant possibles les apps d’optique quantique portables, telles que les horloges atomiques.
Un générateur de faisceaux vortex à ondes de fuite qui produit un faisceau avec un front d’onde en forme de tire-bouchon. Cela pourrait conduire à une liaison optique en espace libre entre les bâtiments qui s’appuie sur les PIC pour traiter les informations transportées par la lumière, tout en utilisant également des ondes lumineuses avec des fronts d’onde façonnés pour une intercommunication à haute capacité.
Un hologramme à ondes de fuite qui peut déplacer quatre photos distinctes simultanément : deux au approach de l’appareil (à deux états de polarisation orthogonaux) et deux autres à distance dans l’espace libre (également à deux états de polarisation orthogonaux). Cette fonction pourrait être utilisée pour fabriquer des lunettes de réalité augmentée furthermore légères et plus confortables et des écrans 3D holographiques furthermore réalistes.
Fabrication d’appareils
La fabrication du dispositif a été réalisée dans la salle blanche de la Columbia Nano Initiative et dans l’installation de nanofabrication du State-of-the-art Science Research Centre du Graduate Centre de la City College of New York.
Prochaines étapes
La démonstration actuelle de Yu est basée sur une plate-forme basic de matériaux polymère-nitrure de silicium à des longueurs d’onde proches de l’infrarouge. Son équipe prévoit ensuite de démontrer des dispositifs basés sur la plate-forme de nitrure de silicium furthermore robuste, qui est appropriate avec les protocoles de fabrication de fonderie et tolérant un fonctionnement à haute puissance optique. Ils prévoient également de démontrer des conceptions pour une efficacité de sortie élevée et un fonctionnement à des longueurs d’onde visibles, ce qui convient mieux à des applications telles que l’optique quantique et les écrans holographiques.
L’étude a été soutenue par la Nationwide Science Foundation (subvention n° QII-TAQS-1936359 (HH, YX et NY) et n° ECCS-2004685 (SCM, C.-CT et NY)), l’Air Pressure Business of Scientific Exploration (n° FA9550-16-1-0322 (NY)) et la Fondation Simons (ACO et AA). SCM reconnaît le soutien du NSF Graduate Investigate Fellowship Method (subvention no. DGE-1644869).
