"Мы рады найти элегантное решение для сопряжения оптики свободного пространства и интегрированной фотоники - эти две платформы традиционно изучались исследователями из разных областей оптики и привели к созданию коммерческих продуктов, удовлетворяющих совершенно разным потребностям", - сказал Наньфан Ю, доцент кафедры прикладной физики и прикладной математики, который является лидер в области исследований нанофотонных устройств. "Наша работа указывает на новые способы создания гибридных систем, которые используют лучшее из обоих миров - оптику свободного пространства для формирования волнового фронта света и интегрированную фотонику для оптической обработки данных - для решения многих новых задач, таких как квантовая оптика, оптогенетика, сенсорные сети, межчиповые коммуникации и голографические дисплеи."

Соединение оптики свободного пространства и интегрированной фотоники

Ключевая задача сопряжения PICs и оптики свободного пространства состоит в преобразовании простой волноводной моды, ограниченной волноводом - тонким гребнем, определенным на чипе, - в широкую волну свободного пространства со сложным волновым фронтом, и наоборот. Команда Юй решила эту задачу, опираясь на свое изобретение прошлой осенью "нелокальных метаповерхностей" и расширив функциональность устройств от управления световыми волнами в свободном пространстве до управления направленными волнами.

В частности, они расширили режим входного волновода, используя конусность волновода, до режима плоского волновода - слоя света, распространяющегося вдоль чипа. "Мы поняли, что режим плоского волновода можно разложить на две ортогональные стоячие волны - волны, напоминающие те, которые возникают при перетягивании струны", - сказал Хэцин Хуан, аспирант лаборатории Ю и соавтор исследования, опубликованного сегодня в журнале. Природная нанотехнология"Поэтому мы разработали "метаповерхность с протекающей волной", состоящую из двух наборов прямоугольных отверстий, которые смещены друг от друга на субволновое расстояние, чтобы независимо управлять этими двумя стоячими волнами. В результате каждая стоячая волна преобразуется в поверхностное излучение с независимой амплитудой и поляризацией; вместе два компонента поверхностного излучения сливаются в единую волну свободного пространства с полностью регулируемой амплитудой, фазой и поляризацией в каждой точке ее волнового фронта."

От квантовой оптики до оптических коммуникаций и голографических 3D-дисплеев

Команда Ю экспериментально продемонстрировала множество метаповерхностей с утечкой волн, которые могут преобразовывать волноводную моду, распространяющуюся вдоль волновода с поперечным сечением порядка одной длины волны, в излучение в свободном пространстве с проектируемым волновым фронтом на площади, примерно в 300 раз превышающей длину волны, на телекоммуникационной длине волны 1,55 мкм. К ним относятся:

Металлизированный элемент с просачивающейся волной, который создает фокусное пятно в свободном пространстве. Такое устройство будет идеальным для формирования оптической связи в свободном пространстве с малыми потерями и высокой пропускной способностью между чипами PIC; оно также будет полезно для интегрированного оптогенетического зонда, который генерирует сфокусированные лучи для оптической стимуляции нейронов, расположенных далеко от зонда.

Генератор оптической решетки на коротких волнах, который может генерировать сотни фокусных точек, формирующих узор решетки Кагоме в свободном пространстве. В целом, метаповерхность с просачивающимися волнами может создавать сложные апериодические и трехмерные оптические решетки для улавливания холодных атомов и молекул. Эта возможность позволит исследователям изучать экзотические квантово-оптические явления или проводить квантовое моделирование, до сих пор недоступное с помощью других платформ, и позволит им существенно снизить сложность, объем и стоимость квантовых устройств на основе атомных матриц. Например, метаповерхность с утечкой волн может быть непосредственно интегрирована в вакуумную камеру для упрощения оптической системы, что делает возможным применение портативной квантовой оптики, такой как атомные часы.

Генератор вихревого пучка с утечкой, который генерирует пучок с волновым фронтом в форме штопора. Это могло бы привести к созданию оптической связи между зданиями в свободном пространстве, которая опирается на PICS для обработки информации, переносимой светом, а также использует световые волны с формованными волновыми фронтами для передачи данных высокой пропускной способности.

Голограмма с пропускающей волной, которая может перемещать четыре различных изображения одновременно: два в плоскости устройства (в двух состояниях ортогональной поляризации) и еще два на расстоянии в свободном пространстве (также в двух состояниях ортогональной поляризации). Эту функцию можно было бы использовать для создания более легких и удобных очков дополненной реальности и более реалистичных голографических 3D-дисплеев.

Изготовление устройств

Изготовление устройства осуществлялось в лаборатории Columbia Nano Initiative cleanroom и в центре нанопроизводства Advanced Science Research Center при аспирантуре Городского университета Нью-Йорка.

Следующие шаги

Текущая демонстрация Yu основана на простой платформе материалов из полимера и нитрида кремния в ближнем инфракрасном диапазоне длин волн. Далее его команда планирует продемонстрировать устройства, основанные на более надежной платформе из нитрида кремния, которая совместима с протоколами литейного производства и устойчива к работе с высокой оптической мощностью. Они также планируют продемонстрировать конструкции, обеспечивающие высокую выходную эффективность и работу в видимом диапазоне длин волн, что больше подходит для таких применений, как квантовая оптика и голографические дисплеи.

Исследование было поддержано Национальным научным фондом (грант № QII-TAQS-1936359 (H.H., Y.X. и Нью-Йорк) и номер. ECCS-2004685 (S.C.M., C.-C.T. и Нью-Йорк)), Управление научных исследований ВВС (№ FA9550-16-1-0322 (Нью-Йорк)) и Фонд Саймонса (A.C.O. и A.A.A.). S.C.M. выражает признательность за поддержку со стороны Программа стипендий для аспирантов NSF (грант № DGE-1644869).