Новости

Dec 15, 2023

Дырявый

Исследователи из США показали, как свет распространяется по оптическим волноводам

Исследователи из США показали, как свет, проходящий через оптические волноводы, может быть преобразован в свободно распространяющиеся световые волны с волновыми фронтами произвольной формы – достижение, которое команда называет первым. Наньфан Ю и его коллеги из Колумбийского университета и Городского университета Нью-Йорка (CUNY) достигли этого, используя «метаповерхности вытекающих волн».

Хотя существует множество различных оптических систем управления светом, их, как правило, можно разделить на два типа. Один из них предполагает управление свойствами световых волн, распространяющихся в свободном пространстве, и может включать системы, начиная от простых линз и заканчивая современными телескопами и голограммами. Другой тип предполагает использование фотонных схем, которые управляют светом, распространяющимся по оптическим волноводам с размером поперечного сечения обычно в сотни нанометров. Эти схемы являются идеальными платформами для оптической обработки информации, что делает их ключевыми элементами современных устройств, включая датчики и чипы оптической связи.

С развитием оптических технологий, начиная от дополненной реальности и заканчивая зондами для контроля и манипулирования нейронами, растет мотивация интегрировать эти две категории систем оптического управления. Однако, как объясняет Ю, эти двое до сих пор остаются в значительной степени несовместимыми друг с другом.

«Всегда существовала проблема «взаимодействия» этих двух категорий», — говорит он. «Принципиально сложно преобразовать крошечную и простую волноводную моду в широкую и сложную оптическую волну в свободном пространстве или наоборот. Однако требования к «гибридным» системам, состоящим частично из фотонных интегральных схем, а частично из оптики в свободном пространстве, становится реальным».

По мнению Ю и его коллег, решение лежит в метаповерхностях, которые представляют собой тонкие листы, состоящие из массивов субволновых структур. Эти метаповерхности могут изменять свойства проходящих через них световых волн. В своих предыдущих исследованиях они показали, как метаповерхности можно использовать для управления светом, распространяющимся в свободном пространстве.

Чтобы распространить эти возможности на направленные световые волны, исследователи начали с фотонного кристалла (ФК), состоящего из квадратного массива квадратных отверстий в полимерной пленке. Этот ФХ позволяет плоским слоям света распространяться взад и вперед в виде стоячих волн.

«На следующем этапе мы внесли в плиту PhC возмущение, нарушающее симметрию, деформировав квадратные отверстия PhC в прямоугольные», — объясняет Ю. «Возмущение снижает степень симметрии ФК, так что фотонные моды больше не ограничиваются пластиной и могут просачиваться в свободное пространство со скоростью утечки, пропорциональной величине возмущения».

Команда обнаружила, что, изменяя возмущения поперек плиты – ориентируя ее прямоугольные отверстия в разных направлениях – они могут точно настроить форму волнового фронта просачивающегося света. Используя свои метаповерхности вытекающих волн, команда Ю разработала новую технику преобразования света, распространяющегося через волновод, в волну, распространяющуюся в свободном пространстве.

Реконфигурируемая метаповерхность управляет некогерентным светом менее чем за пикосекунду

«Здесь режим входного волновода сначала расширяется до режима пластинчатого волновода, который входит в метаповерхность вытекающей волны и производит желаемое поверхностное излучение», — объясняет Адам Овервиг из CUNY. «Таким образом, первоначальная простая волноводная мода, заключенная внутри волновода с поперечным сечением порядка одной длины волны, в конечном итоге преобразуется в свободно распространяющуюся световую волну со сложным волновым фронтом на площади, примерно в 300 раз превышающей длину волны».

Команда продемонстрировала, как их устройства могут создавать разнообразные схемы излучения. К ним относятся двумерные массивы фокальных пятен, спиральные волновые фронты, голографические изображения и лазерные лучи с пространственно изменяющейся поляризацией. Если технология будет масштабироваться, однажды она может быть применена во многих различных типах передовых оптических систем. Приложения включают оптические дисплеи, такие как голограммы и очки дополненной реальности; и оптические каналы связи высокой пропускной способности между компьютерными чипами.