Integreret metasurface konverterer lysfarver til bredbånd inde i en bølgeleder

En af de største udfordringer ved udviklingen af ​​integrerede fotoniske kredsløb - som bruger lys frem for elektroner til at transportere information - er at styre lysets momentum. Farver af lys bevæger sig med forskellige hastigheder gennem et materiale, men for at lys kan konverteres mellem farver, den skal have samme momentum eller fase.

Mange enheder er designet til momentum-match eller fasematch lys på forskellige punkter i et integreret kredsløb, men hvad hvis fasematchingsprocessen i visse tilfælde kunne omgås sammen?

Forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, sammen med samarbejdspartnere fra Fu Foundation School of Engineering and Applied Science ved Columbia University, har udviklet et system til at konvertere en lysbølgelængde til en anden uden at skulle fasematches.

Undersøgelsen blev offentliggjort i Naturkommunikation .

"For at enhver bølgelængdekonverteringsproces skal være effektiv, det skal være omhyggeligt designet til fasematch, og det virker kun ved en enkelt bølgelængde, "sagde Marko Loncar, Tiantsai Lin -professor i elektroteknik ved SEAS og seniorforfatter af papiret. "De enheder, der er vist i dette arbejde, i modsætning, behøver ikke at opfylde fasematchningskravet, og kan konvertere lys i et bredt farveområde. "

Konverteren er afhængig af en metasurface, bestående af en række silicium -nanostrukturer, integreret i en litiumniobatbølgeleder. Lyset passerer gennem bølgeleder, interagerer med nanostrukturer undervejs. Mængden af ​​nanostrukturer fungerer som en tv -antenne - modtager det optiske signal, manipulere dens momentum og genudsende den tilbage i bølgelederen.

"I modsætning til de fleste metaoverflader, hvor lyset bevæger sig vinkelret på metaoverfladen, her interagerer lys med metaoverfladen, mens det er begrænset inde i en bølgeleder, "sagde Cheng Wang, medforfatter af papiret og postdoktor ved SEAS. "På denne måde, vi drager fordel af både momentumstyringen fra metasurface og en lang interaktionsafstand. "

Forskerne demonstrerede, at de kunne fordoble frekvensen af ​​en bølgelængde, konvertere nær infrarøde farver til rød, med høj effektivitet over en bred båndbredde. I tidligere forskning har holdet demonstrerede, at de også kunne styre og konvertere polariseringen og tilstanden for en guidet bølge ved hjælp af en lignende struktur.

"Den integrerede metasurface adskiller sig fra andre fasematchingsmekanismer ved, at det giver et ensrettet optisk momentum til at koble optisk energi fra en til en anden farvekomponent-samtidig med at den inverterede proces hæmmes-hvilket er afgørende for at realisere bredbånds ikke-lineær konvertering, "sagde Nanfang Yu, assisterende professor i anvendt fysik i Columbia og en co-senior forfatter af papiret. "Fremtidens arbejde vil demonstrere bredbåndsintegrerede fotoniske enheder baseret på metasurfaces til realisering af andre funktioner såsom optisk modulering."