Combinar chips fotônicos integrados e meta-superfícies ilumina o futuro do controle da luz

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A Penn State University anunciou recentemente uma grande inovação na tecnologia de controle de luz no nível do circuito, criando uma interface mais viável entre a propagação de ondas no espaço livre para o guia de ondas controlado.

A pesquisa publicada na Science Advances detalha conquistas impressionantes ao conectar a luz do espaço livre a um guia de ondas. Anteriormente, tinha sido difícil acoplar com sucesso a luz guiada por ondas no espaço livre (devido ao controle de fase limitado).

Os pesquisadores desenvolveram uma arquitetura híbrida na qual os metátomos do tamanho de um comprimento de onda são depositados na superfície de um guia de ondas, permitindo a integração de funções baseadas em luz, específicas da aplicação, no nível do chip.

A importância da luz guiada cônica

Desenvolvida numericamente e experimentalmente, a equipe de pesquisa demonstrou com sucesso a deflexão do feixe fora do chip e o foco na luz com o controle de metassuperfície. Como mostrado abaixo, as configurações de teste foram desenvolvidas para a direção do feixe.

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Diagrama de direção do feixe fora do chip e foco. Imagem usada cortesia de Science Advances

Para focalizar o feixe, os pesquisadores usaram um oscilador paramétrico óptico bombeado a laser acoplado a uma fibra de modo de sinal de lente cônica e daí para o espaço livre.

O Metasurfaces oferece uma interface de acoplamento óptico com capacidade de filtragem integrada, proporcionando uma transformação bidirecional entre uma frente de onda de espaço livre e modo único (PARA00) transmissão.

Estudos complementares demonstraram como os pesquisadores testaram sua antena nano-barra de metal desenvolvida para concluir simulações usando um pacote solver de método de elementos finitos (FEM) disponível no mercado. Os dados suplementares indicam claramente o controle de meta-superfícies para geração de frente de onda em vários comprimentos de onda.

Fundamentalmente, as metassuperfícies fornecem controle sobre a frequência, polarização, fase e amplitude da luz, como mostrado abaixo:

Funções baseadas em luz

Funções baseadas em luz, a) um passe de banda, b) um filtro de entalhe, c) uma superfície de alta impedância ed) um “absorvedor perfeito” de banda estreita Imagem usada cortesia de Xiao et. al

Como a Penn State aproveitou as metassuperfícies

A pesquisa da Penn State usa a fase acumulada (βx) e a mudança abrupta de fase (ΔΦx) para superar o controle de fase anteriormente limitado (π).

Usando uma colocação projetada das metassuperfícies com mudança de fase completa (2π), os pesquisadores produziram padrões de antena de fótons de espaço livre, orientados por guia de ondas, em frequências nanométricas específicas (1550 nm) no ponto focal desejado.

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Guia de ondas acoplado à metassuperfície

Renderização artística do guia de ondas acoplado à metassuperfície, permitindo funções específicas baseadas em luz. Imagem usada cortesia de Science Advances

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Existem considerações de eficiência com o projeto atual da nano-barra de metal da superfície, que apresenta uma perda de absorção de 45,5%. Um segundo projeto usou dielétrico puro e reduziu a dissipação de energia total em dez vezes, principalmente devido à ausência de componentes metálicos. A eficiência geral de extração ascendente da interface de meta-superfície é de 9%.

O valor dos chips integrados fotônicos

Segundo a Edmund Optics, a importância do PIC está se tornando cada vez mais aparente à medida que aumentamos os limites das tecnologias baseadas em elétrons.

A tecnologia fotônica oferece largura de banda aprimorada, maior velocidade e menores requisitos de energia do que tecnologias equivalentes baseadas em RF. A fibra monomodo, devidamente multiplexada, pode transmitir taxas de produção significativamente maiores do que os sistemas de cobre.

Os fótons geralmente não colidem entre si em trânsito e, como tal, não geram o calor com o qual lidamos normalmente em sistemas baseados em elétrons. Isso significa que há menos desperdício de calor para expelir do sistema, e o sistema é muito mais eficiente em termos de energia.

Colocando a luz para trabalhar em aplicativos PIC

A tecnologia Penn State oferece opções poderosas para a tecnologia PIC integrada com os recursos de formação de feixe das metassuperfícies. As metassuperfícies são propícias para transmissão e recepção altamente coerentes de fótons diretamente no chip.

A tecnologia LiDAR, que opera com o mesmo princípio do RADAR, mas com fótons, usa a métrica da intensidade de energia para caracterizar objetos. Como a nova tecnologia oferece a capacidade de gerar funções específicas baseadas em luz, os engenheiros podem, no futuro, desenvolver LiDAR orientado por feixe de alta intensidade, capaz de padrões de antena altamente direcionais para maiores distâncias de detecção.

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Imagem de forma de onda LiDAR

Um perfil de intensidade de energia idealizado é gerado com base no retorno de fótons do LiDAR. Maior intensidade indica reflexões aumentadas de fótons para o receptor do LiDAR. Imagem usada cortesia da Rede Nacional de Observatórios Ecológicos

Com base no aumento da densidade de PIC proporcionada pelos avanços, a equipe de pesquisa vê aplicações futuras que vão desde tecnologias de exibição em miniatura para realidade virtual e dispositivos de realidade aumentada até projeção holográfica.

Os benefícios dos circuitos fotônicos integrados foram bem documentados em pesquisas e, com o advento dessa nova tecnologia combinando PICs e metassuperfícies, os engenheiros podem continuar a empurrar os limites da eletrônica moderna.

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