Многофункциональный интерфейс позволяет манипулировать световыми волнами в свободном пространстве.

23 мая 2023 г.

Эта статья была проверена в соответствии с редакционным процессом и политикой Science X. Редакторы выделили следующие атрибуты, гарантируя при этом достоверность контента:

проверенный фактами

надежный источник

корректура

от SPIE

Последние технологические достижения дали нам замечательную способность манипулировать световыми волнами и контролировать их, открывая множество приложений в различных областях, таких как оптическая связь, зондирование, визуализация, энергетика и квантовые вычисления. В основе этого прогресса лежат фотонные структуры, которые могут управлять световыми волнами либо на уровне чипа в виде фотонных интегральных схем (PIC), либо в свободном пространстве в виде метаоптики.

Объединение этих структур позволяет создавать компактные оптические системы. PIC можно использовать для внесения тонких изменений в световую волну, например, для манипулирования ее фазой и интенсивностью для достижения желаемого результата, которым затем можно управлять в свободном пространстве с помощью метаоптики. Такие комбинированные системы могут управлять кубитами для квантовых вычислений и обнаружения мощного света, а также системами измерения дальности, подобными тем, которые используются для автономной навигации и картографирования транспортных средств.

Поскольку PIC используют волноводы нанометрового размера для ограничения и направления света, передача их света на более крупные устройства, такие как оптические волокна, и обратно является сложной задачей. Для этой цели обычно используются решетчатые соединители из-за их решетчатой ​​структуры, которая может преломлять свет, входящий или выходящий из волноводов PIC. Однако эти устройства могут лишь до определенной степени формировать световую волну, что ограничивает их применимость.

Ввиду этого недостатка была предложена метаоптика, способная манипулировать оптическими волновыми фронтами произвольной формы, для передачи света от PIC. Хотя этот подход является многообещающим, о многофункциональной связи между PIC и свободным пространством пока не сообщалось.

Теперь в исследовании, опубликованном в журнале Advanced Photonics Nexus, исследователи из Вашингтонского университета продемонстрировали гибридную PIC/метаоптическую платформу размером с чип, состоящую из фотонной интегральной схемы с решетками под отдельным метаоптическим чипом. ПОС состоит из 16 одинаковых решеток, расположенных в двумерной решетке, каждая с размером апертуры 300 микрометров и соединенных с оптическим волокном с помощью решетчатого соединителя. Эти решетки служат волноводами и направляют свет от волокна к метаоптическому чипу, который формирует и выводит свет в свободное пространство параллельно входному свету.

«Используя массив метаоптики с низкими потерями, мы разработали гибкий и взаимозаменяемый интерфейс между фотонной интегральной схемой и свободным пространством», — говорит старший автор, доцент Арка Маджумдар из Вашингтонского университета в Сиэтле.

Используя эту платформу, исследователи смогли одновременно пропускать свет через 14 решеток PIC, а затем формировать соответствующий луч с помощью 14 различных метаоптических устройств, таких как металинзы, генераторы вихревых лучей, линзы с увеличенной глубиной фокусировки и голограммы.

«Метаоптика обладает способностью формировать оптические волновые фронты для создания многофункционального интерфейса между оптикой свободного пространства и интегрированной фотоникой. В этом исследовании используется это. Все световые лучи, выходящие из ПОС, идентичны, но за счет размещения разных метаоптики над каждой решеткой мы смогли одновременно манипулировать балками по отдельности», — объясняет Маджумдар.

В своих экспериментах с различной метаоптикой исследователи обнаружили, что устройство работает с высокой точностью и надежностью даже без предварительного знания входного света или необходимости точного выравнивания между двумя чипами. В частности, им удалось добиться дифракционного пятна размером в три микрометра и голографического изображения с пиковым отношением сигнал/шум более 10 децибел.