L'interfaccia multifunzionale consente la manipolazione delle onde luminose nello spazio libero

23 maggio 2023

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di SPIE

I recenti progressi tecnologici ci hanno dato una notevole capacità di manipolare e controllare le onde luminose, aprendo numerose applicazioni in vari campi, come la comunicazione ottica, il rilevamento, l’imaging, l’energia e l’informatica quantistica. Al centro di questo progresso ci sono strutture fotoniche in grado di controllare le onde luminose, sia a livello di chip sotto forma di circuiti integrati fotonici (PIC) sia nello spazio libero come meta-ottica.

La combinazione di queste strutture consente la creazione di sistemi ottici compatti. I PIC possono essere utilizzati per apportare sottili modifiche all'onda luminosa, come la manipolazione della sua fase e intensità per ottenere l'uscita desiderata, che può poi essere guidata nello spazio libero dalla meta-ottica. Tali sistemi combinati possono controllare i qubit per il calcolo quantistico e il rilevamento della luce, nonché sistemi di rilevamento come quelli utilizzati per la navigazione e la mappatura dei veicoli autonomi.

Poiché i PIC utilizzano guide d'onda su scala nanometrica per confinare e dirigere la luce, accoppiare la luce da e verso dispositivi più grandi, come le fibre ottiche, è complicato. Gli accoppiatori a reticolo sono comunemente usati per questo scopo a causa della loro struttura a reticolo che può diffrangere la luce che entra o esce dalle guide d'onda del PIC. Tuttavia, questi dispositivi possono modellare l’onda luminosa solo in una certa misura, limitando la loro applicabilità.

In considerazione di questo limite, è stata suggerita una meta-ottica in grado di manipolare fronti d'onda ottici con forme arbitrarie per accoppiare la luce proveniente dai PIC. Sebbene questo approccio sia promettente, non è stato ancora segnalato alcun accoppiamento multifunzionale tra PIC e spazio libero.

Ora, in uno studio pubblicato su Advanced Photonics Nexus, i ricercatori dell’Università di Washington hanno dimostrato una piattaforma ibrida PIC/meta-ottica su scala chip costituita da un circuito integrato fotonico con reticoli sotto un chip meta-ottico separato. Il PIC comprende 16 reticoli identici disposti in una matrice bidimensionale, ciascuno con un'apertura di 300 micrometri e accoppiati a una fibra ottica con un accoppiatore a reticolo. Questi reticoli fungono da guide d'onda e dirigono la luce dalla fibra al chip metaottico che modella ed emette la luce nello spazio libero, parallelamente alla luce in ingresso.

"Utilizzando una serie di meta-ottiche a bassa perdita, abbiamo sviluppato un'interfaccia flessibile e intercambiabile tra un circuito integrato fotonico e lo spazio libero", afferma Arka Majumdar, autore senior e professore associato dell'Università di Washington a Seattle.

Utilizzando questa piattaforma, i ricercatori sono stati in grado di far passare simultaneamente la luce attraverso 14 reticoli PIC e quindi modellare il raggio corrispondente con 14 diverse meta-ottiche, come lenti metalliche, generatori di fasci di vortice, lenti con profondità di fuoco estesa e ologrammi.

"La meta-ottica ha la capacità di modellare i fronti d'onda ottici per creare un'interfaccia multifunzionale tra l'ottica dello spazio libero e la fotonica integrata. Questo studio sfrutta questo aspetto. Tutti i fasci di luce che escono dal PIC sono identici, ma posizionando meta-ottica diversa sopra ogni griglia abbiamo potuto manipolare simultaneamente le travi individualmente", spiega Majumdar.

Nei loro esperimenti con diverse meta-ottiche, i ricercatori hanno scoperto che il dispositivo funzionava con elevata precisione e affidabilità, anche senza una conoscenza preliminare della luce in ingresso o della necessità di un allineamento preciso tra i due chip. Nello specifico, hanno ottenuto uno spot limitato dalla diffrazione di tre micrometri e un'immagine olografica con un rapporto segnale-rumore di picco superiore a 10 decibel.