Investigadores de Columbia Engineering han desarrollado una nueva clase de dispositivos ópticos integrados, «superficies de ondas con fugas», que pueden convertir la luz inicialmente confinada en una guía de ondas ópticas en un patrón óptico aleatorio de espacio libre. Estos dispositivos son los primeros en demostrar el control simultáneo de los cuatro grados de libertad ópticos (amplitud, fase, elipsis de polarización y orientación de polarización), un récord mundial. Debido a que los dispositivos son tan delgados, transparentes y compatibles con los circuitos fotónicos integrados (PIC), se pueden usar para mejorar las pantallas ópticas, LIDAR (detección y rango de luz), comunicaciones ópticas y óptica cuántica.
“Estamos entusiasmados de encontrar una solución elegante para la interacción entre la óptica de espacio libre y la fotónica compacta: estas dos plataformas han sido estudiadas tradicionalmente por investigadores de varios subcampos de la óptica y han dado como resultado productos comerciales que abordan necesidades muy diferentes.dijo Nanfang Yu, profesor asistente de física aplicada y matemáticas aplicadas y pionero en el campo de la investigación sobre dispositivos a nanoescala.Nuestro trabajo apunta a nuevas vías para crear sistemas híbridos que utilicen lo mejor de ambos mundos (óptica de espacio libre para dar forma al frente de onda de la luz y fotónica compacta para el procesamiento de datos fotónicos) para abordar muchas aplicaciones emergentes como la óptica cuántica, la optogenética, las redes de sensores, comunicaciones entre chips y representaciones holográficas».
Vínculo entre la óptica del espacio libre y la fotónica integrada
El principal desafío de interconectar PIC con óptica de espacio libre es convertir un modo de guía de ondas simple confinado dentro de una guía de ondas (un borde delgado y definido en un chip) en una guía de ondas de espacio libre amplio con un frente de onda complejo, y viceversa. El equipo de Yu abordó este desafío basándose en su invento del otoño pasado de «metasuperficies no locales» y extendiendo la funcionalidad de los dispositivos desde el control de ondas de luz en el espacio libre hasta el control de ondas dirigidas.
Específicamente, ampliaron el modo de la guía de ondas de entrada mediante el uso de la disminución de la guía de ondas en el modo de guía de ondas de losa: una lámina de luz que se propaga a lo largo de la losa. «Nos dimos cuenta de que el modo de guía de ondas de losa podría descomponerse en dos ondas estacionarias perpendiculares entre sí, ondas que recuerdan a las que se producen al arrancar un hilo». dijo Heqing Huang, estudiante de doctorado en el laboratorio de Yu y coautor del estudio, que se publicó hoy en Nanotecnología de la naturaleza. Por lo tanto, diseñamos un ‘frente de onda con fugas’ que consta de dos conjuntos de aberturas rectangulares que tienen una longitud de onda inferior entre sí para controlar de forma independiente estas dos ondas estacionarias. El resultado es que cada onda estacionaria se convierte en una emisión de superficie con amplitud y polarización. El componente de emisión fusiona las superficies en una sola onda de espacio libre con amplitud, fase y polarización totalmente controlables en cada punto del frente de onda.
De la óptica cuántica a las comunicaciones ópticas a las pantallas holográficas 3D
El equipo de Yu ha demostrado experimentalmente varias metasuperficies de ondas con fugas que pueden convertir un modo de guía de ondas que se propaga a lo largo de una guía de ondas con una sección transversal del orden de una longitud de onda en emisión en el espacio libre con un frente de onda modelado en un área de unas 300 longitudes de onda en los contactos. . La longitud de onda es de 1,55 micras. Éstas incluyen:
Los metales de ondas con fugas producen un punto focal en el espacio libre. Tal dispositivo sería ideal para formar un enlace óptico de espacio libre de baja pérdida y alta capacidad entre segmentos PIC; También sería útil para una sonda optogenética integrada que produzca haces enfocados para estimular ópticamente las neuronas ubicadas lejos de la sonda.
El generador de rejilla óptica de onda con fugas puede producir cientos de puntos focales que forman un patrón de celosía Kagome en el espacio libre. En general, la superficie sutil de la onda con fugas puede producir redes ópticas tridimensionales complejas y aperiódicas para atrapar átomos y moléculas fríos. Esta capacidad permitirá a los investigadores estudiar fenómenos ópticos cuánticos exóticos o realizar simulaciones cuánticas que aún no se pueden lograr fácilmente con otras plataformas, y les permitirá reducir significativamente la complejidad, el tamaño y el costo de los dispositivos cuánticos basados en matrices atómicas. Por ejemplo, la metasuperficie de onda de fuga se puede integrar directamente en la cámara de vacío para simplificar el sistema óptico, lo que hace posibles las aplicaciones portátiles de óptica cuántica, como los relojes atómicos.
Un generador de haz de vórtice de onda con fugas produce un haz con un frente de onda en forma de llave. Esto podría conducir a un enlace óptico en blanco entre edificios que se basa en PIC para procesar la información transportada por la luz, con ondas de luz con frentes de onda modulados utilizados para comunicación de alta capacidad.
Un holograma de onda con fugas puede desplazar simultáneamente cuatro imágenes distintas: dos en el plano del dispositivo (en dos estados polarizados ortogonalmente) y dos a distancia en el espacio libre (también en dos estados polarizados ortogonalmente). Esta función se puede utilizar para crear gafas de realidad aumentada más ligeras y cómodas y pantallas 3D 3D más realistas.
Fabricación de dispositivos
La fabricación de dispositivos se llevó a cabo en la sala limpia de la Iniciativa Nano de Columbia y en el Centro de Investigación Científica Avanzada de NanoFabricación en el Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York.
próximos pasos
La demostración actual de Yu se basa en una plataforma simple de polímeros y materiales de nitruro de silicio en longitudes de onda del infrarrojo cercano. A continuación, su equipo planea demostrar dispositivos basados en una plataforma de nitruro de silicio más robusta, que son compatibles con los protocolos de fabricación de fundición y toleran un funcionamiento de alta potencia óptica. También planean demostrar diseños para producción y operación altamente eficientes en longitudes de onda visibles, que son más adecuados para aplicaciones como la óptica cuántica y la representación holográfica.
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