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Nov 25, 2023

Gigahertz gratuiti

Nature Communications volume

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3170 (2022) Citare questo articolo

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I modulatori elettro-ottici sono essenziali per il rilevamento, la metrologia e le telecomunicazioni. La maggior parte delle applicazioni in fibra target. Invece, le architetture basate sulla metasuperficie che modulano la luce nello spazio libero a velocità di gigahertz (GHz) possono potenziare la tecnologia dell’ottica piatta mediante l’elettronica a microonde per l’ottica attiva, il calcolo diffrattivo o il controllo optoelettronico. Le attuali realizzazioni sono ingombranti o hanno basse efficienze di modulazione. Qui, mostriamo una piattaforma ibrida di metasuperficie silicio-organica che sfrutta le risonanze Mie per un'efficiente modulazione elettro-ottica a velocità GHz. Sfruttiamo gli stati quasi legati nel continuo (BIC) che forniscono una larghezza di riga stretta (Q = 550 a \({\lambda }_{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}=1594 \) nm), confinamento della luce nel materiale non lineare, sintonizzabilità per progettazione e tensione ed elettrodi con velocità GHz. La chiave per la modulazione ottenuta di \(\frac{{{\Delta }}T}{{T}_{\max }}=67 \%\) sono le molecole con r33 = 100 pm/V e l'ottimizzazione del campo ottico per bassi -perdita. Dimostriamo la sintonizzazione DC della frequenza di risonanza del quasi-BIC mediante \({{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=\) 11 nm, superando la sua larghezza di linea e modulazione fino a 5 GHz (fEO, −3dB = 3 GHz). Risonanze in modalità guidata sintonizzate da \({{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=\) 20 nm. La nostra piattaforma ibrida può incorporare nanostrutture nello spazio libero di qualsiasi geometria o materiale, mediante l'applicazione della postfabbricazione dello strato attivo.

Recentemente, le tecnologie fotoniche sono diventate promettenti per affrontare il collo di bottiglia della comunicazione ad alta velocità1 e del calcolo ad alte prestazioni2,3 invece delle tradizionali tecnologie completamente elettroniche. I dispositivi fotonici di prossima generazione devono manipolare la luce ad alta velocità e la maggior parte delle dimostrazioni odierne riguardano applicazioni su fibra o su chip. In alternativa, le metasuperfici sono ideali per applicazioni che richiedono un controllo compatto dei fasci di luce nello spazio libero4,5, ma la maggior parte di esse sono statiche. Tra i meccanismi disponibili che forniscono un controllo attivo6,7, le strutture elettro-ottiche ibride8 che impiegano effetti χ(2) per modulare i campi ottici tramite segnali elettronici sono superiori alle tecniche alternative quando si tratta di velocità: i campi di controllo possono estendersi dalle microonde ai i terahertz9 e vengono applicati tramite elettrodi metallici10,11 o strutture di antenne12. Oggi sono disponibili diverse piattaforme di materiali, tra cui molecole organiche non lineari13, titanato di bario14 e niobato di litio15, che traggono vantaggio dai progressi nell'ingegneria molecolare16, nella crescita17, nella fabbricazione e nella stabilità18. In genere, una bassa perdita ottica e un'elevata efficienza di modulazione sono fondamentali per un'ampia gamma di applicazioni e sono particolarmente cruciali per le applicazioni quantistiche19,20.

I modulatori elettro-ottici ultrasottili provenienti da risonatori sub-lunghezza d'onda sono ottimi candidati in applicazioni che richiedono un controllo su misura della luce nello spazio libero in modo compatto, come collegamenti di comunicazione ottica nello spazio libero21, raggio laser coerente, componenti ottici attivi22, sistemi ad alta modulatori di luce spaziale di velocità23,24 e controllo attivo degli emettitori di spazio libero25. I componenti ottici piatti come le metasuperfici26,27 si basano su nanostrutture di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda che modificano le proprietà di un raggio incidente dallo spazio libero sulla metasuperficie e sono ideali per soddisfare le esigenze di multiplexing spaziale oltre il singolo pixel. Dal punto di vista del meccanismo di modulazione impiegato, ne sono stati proposti diversi per le metasuperfici, inclusa l'immersione delle metasuperfici in cristalli liquidi28, la loro cointegrazione con materiali epsilon quasi zero, materiali a cambiamento di fase29,30,31, eterostrutture semiconduttrici32 o un variazione dell'indice di rifrazione mediante pompaggio con impulsi a femtosecondi33. Tuttavia, tra tutti questi meccanismi, la grande maggioranza dei modulatori della metasuperficie della luce visibile o delle telecomunicazioni scambia una modulazione efficiente con elevate velocità di modulazione e viceversa. Di conseguenza, solo pochi raggiungono velocità di modulazione nelle microonde, che sono cruciali per le applicazioni sensibili al fattore tempo. Le velocità di commutazione dimostrate raggiungono tipicamente da pochi kilohertz a pochi megahertz. Essendo un candidato eccezionale, l'effetto elettro-ottico34,35,36,37 è compatibile con la modulazione ad alta velocità, ma l'attuale metasuperficie attiva presenta basse efficienze di modulazione. Ciò è legato alla dimensione sub-lunghezza d’onda dei tipici elementi della metasuperficie, che porta a una regione di interazione lunga solo poche centinaia di nanometri, commisurata allo spessore dell’ottica piatta. Inoltre, i risonatori delle dimensioni della lunghezza d'onda sono stati a lungo caratterizzati da fattori di bassa qualità a causa del loro piccolo ordine modale azimutale.