Блог

Nov 25, 2023

Гигагерц бесплатно

Том «Природные коммуникации»

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3170 (2022) Цитировать эту статью

7869 Доступов

28 цитат

112 Альтметрика

Подробности о метриках

Электрооптические модуляторы необходимы для измерения, метрологии и телекоммуникаций. Большинство целевых применений оптоволокна. Вместо этого архитектуры на основе метаповерхностей, которые модулируют свет в свободном пространстве на скоростях в гигагерцах (ГГц), могут способствовать развитию технологии плоской оптики с помощью микроволновой электроники для активной оптики, дифракционных вычислений или оптоэлектронного управления. Текущие реализации громоздки или имеют низкую эффективность модуляции. Здесь мы демонстрируем гибридную кремниево-органическую метаповерхностную платформу, которая использует резонансы Ми для эффективной электрооптической модуляции на скоростях ГГц. Мы используем квазисвязанные состояния в континууме (BIC), которые обеспечивают узкую ширину линии (Q = 550 при \({\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=1594 \) нм), ограничение света нелинейным материалом, возможность настройки по конструкции, напряжению и скорости электродов в ГГц. Ключом к достигнутой модуляции \(\frac{{{\Delta }}T}{{T}_{\max }}=67 \%\) являются молекулы с r33 = 100 пм/В и оптимизация оптического поля для низких -потеря. Мы демонстрируем настройку постоянного тока резонансной частоты квази-BIC с помощью \({{\Delta }}{\lambda }_ {{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=\) 11 нм, что превосходит его ширину линии, и модуляцию до 5 ГГц (fEO, −3 дБ = 3 ГГц). Резонансы направленной моды настраиваются на \({{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=\) 20 нм. Наша гибридная платформа может включать в себя наноструктуры в свободном пространстве любой геометрии и материала путем применения пост-изготовления активного слоя.

В последнее время фотонные технологии стали многообещающими для решения проблем высокоскоростной связи1 и высокопроизводительных вычислений2,3 вместо традиционных полностью электронных технологий. Фотонные устройства следующего поколения должны манипулировать светом на высоких скоростях, и сегодня большинство демонстраций нацелены либо на оптоволоконные, либо на встроенные приложения. Альтернативно, метаповерхности идеально подходят для приложений, требующих компактного управления лучами света в свободном пространстве4,5, но большинство из них статичны. Среди доступных механизмов, обеспечивающих активное управление6,7, гибридные8 электрооптические структуры, использующие эффекты χ(2) для модуляции оптических полей электронными сигналами, превосходят альтернативные методы, когда дело касается скорости: поля управления могут достигать от микроволн до терагерца9 и применяются через металлические электроды10,11 или антенные конструкции12. Сегодня доступно несколько материальных платформ, в том числе органические нелинейные молекулы13, титанат бария14 и ниобат лития15, которые извлекают выгоду из достижений в области молекулярной инженерии16, роста17, производства и стабильности18. Как правило, низкие оптические потери и высокая эффективность модуляции являются ключевыми для широкого спектра приложений и особенно важны для квантовых приложений19,20.

Ультратонкие электрооптические модуляторы на основе субволновых резонаторов являются прекрасными кандидатами в приложениях, требующих индивидуального компактного управления светом в свободном пространстве, таких как оптические линии связи в свободном пространстве21, когерентная лазерная локация, активные оптические компоненты22, высокопроизводительные оптические модули. скоростные пространственные модуляторы света23,24 и активное управление излучателями в свободном пространстве25. Плоские оптические компоненты, такие как метаповерхности26,27, основаны на наноструктурах субволнового размера, которые изменяют свойства луча, падающего из свободного пространства на метаповерхность, и идеально подходят для решения задач пространственного мультиплексирования за пределами одного пикселя. С точки зрения используемого механизма модуляции, некоторые из них были предложены для метаповерхностей, включая погружение метаповерхностей в жидкие кристаллы28, их совместную интеграцию с материалами с эпсилон-околонулевым эффектом, материалами с фазовым переходом29,30,31, полупроводниковыми гетероструктурами32 или изменение показателя преломления при накачке фемтосекундными импульсами33. Однако среди всех этих механизмов подавляющее большинство метаповерхностных модуляторов видимого или телекоммуникационного света обменивают эффективную модуляцию на высокие скорости модуляции и наоборот. Следовательно, лишь немногие из них достигают скорости модуляции в микроволновом диапазоне, что имеет решающее значение для чувствительных ко времени приложений. Продемонстрированные скорости переключения обычно достигают от нескольких килогерц до нескольких мегагерц. В качестве выдающегося кандидата электрооптический эффект34,35,36,37 совместим с высокоскоростной модуляцией, но нынешняя активная метаповерхность имеет низкую эффективность модуляции. Это связано с субволновым размером типичных элементов метаповерхности, что приводит к области взаимодействия длиной всего в несколько сотен нанометров, что соизмеримо с толщиной плоской оптики. Кроме того, резонаторы с длиной волны уже давно характеризуются низкой добротностью из-за их малого азимутального модального порядка.