Gigahertz-rate omskiftelig bølgefrontformning af LNOI-støttet metasurface

I løbet af det sidste årti er metasurfaces, der implementerer todimensionelle kunstige nanostrukturer, dukket op som en banebrydende platform til at manipulere lys på tværs af forskellige frihedsgrader. Disse metaoverflader udviser et betydeligt potentiale i grundlæggende videnskabelig forskning og industrielle anvendelser.

Sammenlignet med den statiske kontrol af optiske felter introducerer dynamisk optisk feltstyring nye kontrolvariabler i tidsdomænet, hvilket muliggør stråleformning i realtid, rumlig lysmodulation, informationsbehandling og mere. Aktive metaoverflader, der er i stand til at manipulere lys i både rumlige og tidsmæssige domæner ved høje hastigheder, har potentialet til at åbne nye grænser inden for fotonisk teknologi og bygge bro mellem teoretisk fysik og praktiske anvendelser.

Dynamisk rekonfigurerbar funktionalitet er nøglen. På trods af at man har udforsket en række materialer og teknikker til at forbedre metasurface tunability, er det stadig en formidabel udfordring at opnå justerbare bølgefronter ved meget høje hastigheder. Heldigvis giver den nylige fremkomst af lithium-niobat-på-isolator-teknologi (LNOI) en lovende platform for tunbar metasurface i ultrahøj hastighed.

LNOI skiller sig ud som et alsidigt materiale til fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er), især på grund af dets enestående elektro-optiske effekt. Denne teknologi har betydeligt avancerede PIC'er, der placerer dem som en førende platform for fremtidige højhastigheds elektro-optiske moduleringsenheder.

For nylig har en fælles forskningsgruppe fra East China Normal University og Nanjing University med succes integreret elektroder, metasurface og LNOI fotonisk bølgeleder - alt sammen i en PIC-enhed. Som rapporteret i Avanceret fotonik , demonstrerer de en ultra-højhastigheds-bølgefrontformende metasurface med den integrerede PIC-drevne metasurface.

Ved at anvende forskellige elektriske signaler til elektroderne udviser enheden evnen til at forme enhver bølgefront i rekonfigurerbare vilkårlige polarisationstilstande. Forskerne fremviser højhastighedsindstilling af forskellige funktionaliteter, herunder lateral brændpunktsposition og brændviddekontrol, orbital vinkelmomentum (OAM) og Bessel-stråler.

Gennem en effektiv kombination af udbredelsesfasen og den geometriske fase af dobbeltbrydende nanostrukturer inden for dette bølgelederskema, kan tunbarheden af ​​disse funktionaliteter kontrolleres i vilkårlige ortogonale polariseringer. De eksperimentelle målinger demonstrerer systemets drift ved modulationshastigheder på op til 1,4 gigahertz.

Forfatterne understreger, at det nuværende højhastighedsmodulationsresultat er foreløbigt. Enheden har potentiale til at øge modulationshastigheden til hundredvis af gigahertz ved at optimere designet af elektroderne og udnytte den elektro-optiske effekt af lithiumniobat.

Tilsvarende forfatter Prof. Lin Li, fra State Key Laboratory of Precision Spectroscopy ved East China Normal University, bemærker:"Integrationen af ​​subbølgelængde metasurfaces og optiske bølgeledere tilbyder et alsidigt og effektivt middel til at manipulere lys på tværs af flere frihedsgrader ved høj hastighed i kompakte PIC-enheder. Denne fremgang baner vejen for potentielle anvendelser inden for optisk kommunikation, beregning, sansning og billeddannelse."

Flere oplysninger: Haozong Zhong et al., Gigahertz-rate-omskiftelig bølgefrontformning gennem integration af metasurfaces med fotonisk integreret kredsløb, Avanceret fotonik (2024). DOI:10.1117/1.AP.6.1.016005

Journaloplysninger: Avanceret fotonik

Leveret af SPIE