Leaky-wave metasurfaces: een perfecte interface tussen vrije ruimte en geïntegreerde optische systemen

Onderzoekers van Columbia Engineering hebben een nieuwe klasse van geïntegreerde fotonische apparaten ontwikkeld – “lekgolf-metasurfaces” – die licht dat aanvankelijk in een optische golfgeleider was opgesloten, kunnen omzetten in een willekeurig optisch patroon in de vrije ruimte. Deze apparaten zijn de eersten die gelijktijdige controle van alle vier optische vrijheidsgraden demonstreren, namelijk amplitude, fase, ellipticiteit van de polarisatie en oriëntatie van de polarisatie – een wereldrecord.

Omdat de apparaten zo dun, transparant en compatibel zijn met fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC’s), kunnen ze worden gebruikt om optische displays, LIDAR (Light Detection and Ranging), optische communicatie en kwantumoptica te verbeteren.

“We zijn verheugd om een ​​elegante oplossing te vinden voor het koppelen van optica in de vrije ruimte en geïntegreerde fotonica – deze twee platforms zijn van oudsher bestudeerd door onderzoekers uit verschillende subgebieden van optica en hebben geleid tot commerciële producten die aan totaal verschillende behoeften voldoen”, zegt Nanfang Yu, medewerker hoogleraar toegepaste natuurkunde en toegepaste wiskunde die toonaangevend is in onderzoek naar nanofotonische apparaten.

“Ons werk wijst op nieuwe manieren om hybride systemen te creëren die het beste van twee werelden gebruiken – optica in de vrije ruimte voor het vormgeven van het golffront van licht en geïntegreerde fotonica voor optische gegevensverwerking – om veel opkomende toepassingen aan te pakken, zoals kwantumoptica, optogenetica, sensor netwerken, communicatie tussen chips en holografische displays.”

Het overbruggen van vrije-ruimte-optica en geïntegreerde fotonica

De belangrijkste uitdaging bij het koppelen van PIC’s en optica met vrije ruimte is het transformeren van een eenvoudige golfgeleidermodus die is opgesloten in een golfgeleider – een dunne richel die op een chip is gedefinieerd – in een brede golf met vrije ruimte met een complex golffront, en vice versa. Het team van Yu ging deze uitdaging aan door voort te bouwen op hun uitvinding afgelopen herfst van “niet-lokale metasurfaces” en breidde de functionaliteit van de apparaten uit van het besturen van lichtgolven in de vrije ruimte tot het besturen van geleide golven.

Concreet breidden ze de ingangsgolfgeleidermodus uit door een golfgeleider te gebruiken die taps toeloopt in een plaatgolfgeleidermodus – een lichtblad dat zich langs de chip voortplant. “We realiseerden ons dat de plaatgolfgeleidermodus kan worden ontleed in twee orthogonale staande golven – golven die doen denken aan golven die worden geproduceerd door aan een touwtje te tokkelen”, zegt Heqing Huang, een Ph.D. student in Yu’s lab en co-eerste auteur van de studie, vandaag gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

“Daarom hebben we een ‘lekgolf-metasurface’ ontworpen dat bestaat uit twee sets rechthoekige openingen die een subgolflengte ten opzichte van elkaar hebben verschoven om deze twee staande golven onafhankelijk te regelen. Het resultaat is dat elke staande golf wordt omgezet in een oppervlakte-emissie met onafhankelijke amplitude en polarisatie; samen smelten de twee oppervlakte-emissiecomponenten samen tot een enkele golf in de vrije ruimte met volledig regelbare amplitude, fase en polarisatie op elk punt boven het golffront.

Van kwantumoptica tot optische communicatie tot holografische 3D-weergaven

Het team van Yu demonstreerde experimenteel meerdere lekgolf-metasurfaces die een golfgeleidermodus die zich voortplant langs een golfgeleider met een doorsnede in de orde van één golflengte kan omzetten in emissie in de vrije ruimte met een ontworpen golffront over een gebied van ongeveer 300 keer de golflengte bij de telecom golflengte van 1,55 micron. Deze omvatten:

• Een lekkende metalens die een brandpunt in de vrije ruimte produceert. Zo’n apparaat zal ideaal zijn voor het vormen van een optische verbinding met weinig verlies en hoge capaciteit met vrije ruimte tussen PIC-chips; het zal ook nuttig zijn voor een geïntegreerde optogenetische sonde die gefocusseerde bundels produceert om optisch neuronen te stimuleren die zich ver van de sonde bevinden.
• Een optisch-roostergenerator met lekkende golven die honderden brandpunten kan produceren die een Kagome-roosterpatroon vormen in de vrije ruimte. Over het algemeen kan het metasurface met lekkende golven complexe aperiodische en driedimensionale optische roosters produceren om koude atomen en moleculen vast te houden. Deze mogelijkheid stelt onderzoekers in staat exotische kwantumoptische fenomenen te bestuderen of kwantumsimulaties uit te voeren die tot nu toe niet gemakkelijk haalbaar waren met andere platforms, en stelt hen in staat de complexiteit, het volume en de kosten van op atomaire array gebaseerde kwantumapparaten aanzienlijk te verminderen. Het lekgolf-metasurface zou bijvoorbeeld direct in de vacuümkamer kunnen worden geïntegreerd om het optische systeem te vereenvoudigen, waardoor draagbare kwantumoptica-toepassingen, zoals atoomklokken, mogelijk worden.
• Een lekkende golf vortex-beam generator die een bundel produceert met een kurkentrekkervormig golffront. Dit zou kunnen leiden tot een optische verbinding in de vrije ruimte tussen gebouwen die afhankelijk is van PIC’s om informatie die door licht wordt overgedragen te verwerken, terwijl ook lichtgolven met gevormde golffronten worden gebruikt voor intercommunicatie met hoge capaciteit.
• Een lekgolfhologram dat vier verschillende afbeeldingen tegelijk kan verplaatsen: twee op het apparaatvlak (bij twee orthogonale polarisatietoestanden) en nog eens twee op een afstand in de vrije ruimte (ook bij twee orthogonale polarisatietoestanden). Deze functie kan worden gebruikt om lichtere, comfortabelere augmented reality-brillen en realistischere holografische 3D-weergaven te maken.

De huidige demonstratie van Yu is gebaseerd op een eenvoudig platform van polymeer-siliciumnitridematerialen op nabij-infrarode golflengten. Zijn team is van plan om vervolgens apparaten te demonstreren op basis van het robuustere siliciumnitride-platform, dat compatibel is met protocollen voor gieterijfabricage en tolerant is voor gebruik met een hoog optisch vermogen. Ze zijn ook van plan ontwerpen te demonstreren voor een hoge outputefficiëntie en werking bij zichtbare golflengten, wat meer geschikt is voor toepassingen zoals kwantumoptica en holografische displays.