자유 공간과 통합 광학 시스템 사이의 완벽한 인터페이스 - ScienceDaily

컬럼비아 엔지니어링(Columbia Engineering)의 연구원들은 초기에 광학 도파관에 한정된 빛을 자유 공간에서 임의의 광학 패턴으로 변환할 수 있는 새로운 종류의 집적 광소자(“누설파 메타표면”)를 개발했습니다. 이 장치는 진폭, 위상, 편광 타원율 및 편광 방향의 네 가지 광학 자유도 모두를 동시에 제어하는 ​​최초의 제품입니다. — 세계 기록. 장치는 매우 얇고 투명하며 광자 집적 회로(PIC)와 호환되기 때문에 광학 디스플레이, LIDAR(Light Detection and Ranging), 광통신 및 양자 광학을 개선하는 데 사용할 수 있습니다.

Nanfang Yu는 “우리는 자유 공간 광학과 통합 포토닉스를 인터페이스하기 위한 우아한 솔루션을 찾게 되어 기쁩니다. 이 두 플랫폼은 전통적으로 광학의 다른 하위 분야의 조사자들에 의해 연구되었으며 완전히 다른 요구를 해결하는 상용 제품으로 이어졌습니다.”라고 말했습니다. 나노광자소자 연구의 선두주자인 응용물리학과 응용수학 부교수. “우리의 연구는 양자 광학, 광유전학과 같은 많은 새로운 응용 분야를 다루기 위해 빛의 파면을 형성하기 위한 자유 공간 광학과 광학 데이터 처리를 위한 통합 포토닉스라는 두 세계의 장점을 활용하는 하이브리드 시스템을 만드는 새로운 방법을 가리킵니다. , 센서 네트워크, 칩 간 통신 및 홀로그램 디스플레이.”

자유 공간 광학 및 통합 포토닉스 연결

PIC와 자유 공간 광학 장치를 인터페이스하는 데 있어 핵심 과제는 도파관(칩에 정의된 융기 부분) 내에 한정된 단순한 도파관 모드를 복잡한 파면이 있는 넓은 자유 공간 파동으로 변환하거나 그 반대로 변환하는 것입니다. Yu의 팀은 지난 가을에 발명한 “비로컬 메타표면(nonlocal metasurfaces)”을 기반으로 이 문제를 해결하고 장치의 기능을 자유 공간 광파 제어에서 유도파 제어로 확장했습니다.

구체적으로 그들은 도파관 테이퍼를 사용하여 입력 도파관 모드를 슬래브 도파관 모드(칩을 따라 전파되는 광 시트)로 확장했습니다. “우리는 슬래브 도파관 모드가 2개의 직교 정재파로 분해될 수 있다는 것을 깨달았습니다. 이 파동은 줄을 뽑아서 생성된 파동을 연상시킵니다. ~에 자연 나노기술. “따라서 우리는 이 두 정재파를 독립적으로 제어하기 위해 서로 서브파장 오프셋이 있는 두 세트의 직사각형 개구로 구성된 ‘누설파 메타표면’을 설계했습니다. 그 결과 각 정재파는 독립적인 표면 방출로 변환됩니다. 진폭 및 편파; 함께 두 표면 방출 구성 요소는 파면 위의 각 지점에서 완전히 제어 가능한 진폭, 위상 및 편파를 가진 단일 자유 공간 파동으로 병합됩니다.”

양자 광학에서 광학 통신, 홀로그램 3D 디스플레이에 이르기까지

Yu의 팀은 한 파장 정도의 단면을 가진 도파관을 따라 전파되는 도파관 모드를 통신 파장의 약 300배 영역에 걸쳐 디자이너 파면을 갖는 자유 공간 방출로 변환할 수 있는 다중 누설파 메타표면을 실험적으로 시연했습니다. 1.55 미크론의 파장. 여기에는 다음이 포함됩니다.

자유 공간에 초점을 생성하는 누설파 금속 렌즈. 이러한 장치는 PIC 칩 사이에 손실이 적고 용량이 큰 자유 공간 광 링크를 형성하는 데 이상적입니다. 또한 프로브에서 멀리 떨어진 뉴런을 광학적으로 자극하기 위해 집중된 빔을 생성하는 통합 광유전학 프로브에도 유용할 것입니다.

자유 공간에서 Kagome 격자 패턴을 형성하는 수백 개의 초점을 생성할 수 있는 누설파 광학 격자 생성기. 일반적으로 누설파 메타표면은 복잡한 비주기적 및 3차원 광학 격자를 생성하여 차가운 원자와 분자를 가둘 수 있습니다. 이 기능을 통해 연구원들은 이국적인 양자 광학 현상을 연구하거나 지금까지 다른 플랫폼으로는 쉽게 달성할 수 없었던 양자 시뮬레이션을 수행할 수 있으며 원자 배열 기반 양자 장치의 복잡성, 부피 및 비용을 크게 줄일 수 있습니다. 예를 들어 누설파 메타표면은 광학 시스템을 단순화하기 위해 진공 챔버에 직접 통합될 수 있어 원자 시계와 같은 휴대용 양자 광학 애플리케이션을 가능하게 합니다.

코르크 따개 모양의 파면을 갖는 빔을 생성하는 누설파 와류 빔 발생기. 이것은 빛에 의해 전달되는 정보를 처리하기 위해 PIC에 의존하는 건물 사이의 자유 공간 광학 링크로 이어질 수 있으며, 동시에 고용량 상호 통신을 위해 모양이 잡힌 파면이 있는 광파를 사용합니다.

4개의 개별 이미지를 동시에 대체할 수 있는 누설파 홀로그램: 장치 평면에서 2개(2개의 직교 편광 상태) 및 자유 공간의 거리에서 2개(역시 2개의 직교 편광 상태). 이 기능은 더 가볍고 더 편안한 증강 현실 고글과 더 사실적인 홀로그램 3D 디스플레이를 만드는 데 사용될 수 있습니다.

장치 제작

장치 제작은 Columbia Nano Initiative 클린룸과 뉴욕 시립 대학 대학원 센터의 Advanced Science Research Center NanoFabrication Facility에서 수행되었습니다.

다음 단계

Yu의 현재 시연은 근적외선 파장에서 간단한 폴리머-실리콘 질화물 재료 플랫폼을 기반으로 합니다. 그의 팀은 다음으로 파운드리 제조 프로토콜과 호환되고 높은 광 출력 작동에 내성이 있는 보다 강력한 실리콘 질화물 플랫폼을 기반으로 하는 장치를 시연할 계획입니다. 또한 양자 광학 및 홀로그램 디스플레이와 같은 응용 분야에 더 적합한 가시 파장에서 높은 출력 효율 및 작동을 위한 설계를 시연할 계획입니다.

이 연구는 국립 과학 재단(보조금 번호 QII-TAQS-1936359(HH, YX 및 NY) 및 번호 ECCS-2004685(SCM, C.-CT 및 NY)), 공군청의 지원을 받았습니다. Scientific Research(no. FA9550-16-1-0322(NY)) 및 Simons Foundation(ACO 및 AA). SCM은 NSF 대학원 연구 친교 프로그램(교부금 번호 DGE-1644869)의 지원을 인정합니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/05/230508114011.htm