Ingeniører opfinder en metode til at kontrollere lysudbredelse i bølgeledere

Et team af Columbia Engineering-forskere, ledet af anvendt fysik adjunkt Nanfang Yu, har opfundet en metode til at kontrollere lys, der forplanter sig i lukkede veje, eller bølgeledere, med høj effektivitet ved at bruge nano-antenner. For at demonstrere denne teknik, de byggede fotonisk integrerede enheder, der ikke kun havde rekordsmå fodspor, men også var i stand til at opretholde optimal ydeevne over et hidtil uset bredt bølgelængdeområde.

Fotoniske integrerede kredsløb (IC'er) er baseret på lys, der forplanter sig i optiske bølgeledere, og styring af en sådan lysudbredelse er et centralt problem i bygningen af ​​disse chips, som bruger lys i stedet for elektroner til at transportere data. Yus metode kunne føre til hurtigere, mere magtfuld, og mere effektive optiske chips, som igen kunne transformere optisk kommunikation og optisk signalbehandling. Undersøgelsen er offentliggjort online i Natur nanoteknologi 17. april.

"Vi har bygget integrerede nanofotoniske enheder med det mindste fodaftryk og største driftsbåndbredde nogensinde, " Yu siger. "Den grad, hvormed vi nu kan reducere størrelsen af ​​fotoniske integrerede enheder ved hjælp af nano-antenner, svarer til, hvad der skete i 1950'erne, da store vakuumrør blev erstattet af meget mindre halvledertransistorer. Dette arbejde giver en revolutionerende løsning på et grundlæggende videnskabeligt problem:Hvordan styres lys, der udbreder sig i bølgeledere på den mest effektive måde?"

Den optiske kraft af lysbølger, der udbreder sig langs bølgeledere, er begrænset i kernen af ​​bølgelederen:Forskere kan kun få adgang til de guidede bølger via de små flygtige "haler", der findes nær bølgelederoverfladen. Disse undvigende guidede bølger er særligt svære at manipulere, og derfor er fotoniske integrerede enheder ofte store i størrelse, optager plads og begrænser dermed enhedsintegrationstætheden af ​​en chip. Krympende fotoniske integrerede enheder repræsenterer en primær udfordring, som forskere sigter mod at overvinde, afspejler den historiske udvikling af elektronik, der følger Moores lov, at antallet af transistorer i elektroniske IC'er fordobles cirka hvert andet år.

Yus team fandt ud af, at den mest effektive måde at kontrollere lys i bølgeledere på er at "dekorere" bølgelederne med optiske nano-antenner:disse miniatureantenner trækker lys inde fra bølgelederkernen, ændre lysets egenskaber, og slip lys tilbage i bølgelederne. Den akkumulerende effekt af en tætpakket række af nano-antenner er så stærk, at de kunne opnå funktioner som bølgeledertilstandskonvertering inden for en udbredelsesafstand, der ikke er mere end det dobbelte af bølgelængden.

"Dette er et gennembrud i betragtning af, at konventionelle tilgange til at realisere bølgeledertilstandskonvertering kræver enheder med en længde, der er titusinder af gange bølgelængden, " siger Yu. "Vi har været i stand til at reducere størrelsen af ​​enheden med en faktor på 10 til 100."

Yus teams skabte bølgeledertilstandskonvertere, der kan konvertere en bestemt bølgeledertilstand til en anden bølgeledertilstand; disse er nøglemuligheder for en teknologi kaldet "mode-division multiplexing" (MDM). En optisk bølgeleder kan understøtte en grundlæggende bølgeledertilstand og et sæt højere ordenstilstande, på samme måde som en guitarstreng kan understøtte en grundtone og dens harmoniske. MDM er en strategi til væsentligt at øge en optisk chips informationsbehandlingskraft:man kunne bruge den samme lysfarve, men flere forskellige bølgeledertilstande til at transportere flere uafhængige informationskanaler samtidigt, alt gennem den samme bølgeleder. "Denne effekt er som, for eksempel, George Washington Bridge har på magisk vis evnen til at håndtere et par gange mere trafikmængde, " Yu forklarer. "Vores bølgeledertilstandskonvertere kunne muliggøre skabelsen af ​​meget mere kapacitive informationsveje."

Han planlægger dernæst at inkorporere aktivt indstillelige optiske materialer i de fotoniske integrerede enheder for at muliggøre aktiv kontrol af lys, der udbreder sig i bølgeledere. Sådanne aktive enheder vil være de grundlæggende byggesten i augmented reality (AR) briller – beskyttelsesbriller, der først bestemmer øjenafvigelserne hos brugeren og derefter projicerer aberrationskorrigerede billeder ind i øjnene – som han og hans Columbia Engineering-kolleger, Professorer Michal Lipson, Alex Gaeta, Demetri Basov, Jim Hone, og Harish Krishnaswamy arbejder på nu. Yu udforsker også at konvertere bølger, der forplanter sig i bølgeledere, til stærke overfladebølger, som i sidste ende kunne bruges til on-chip kemisk og biologisk sensing.

Undersøgelsen har titlen, "Kontrol af udbredelse og kobling af bølgeledertilstande ved hjælp af fasegradient-metasurfaces."