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Dec 15, 2023

Che perde

Researchers in the US have shown how light travelling through optical waveguides

Ricercatori negli Stati Uniti hanno dimostrato come la luce che viaggia attraverso le guide d’onda ottiche può essere convertita in onde luminose che si propagano liberamente con fronti d’onda di forma arbitraria – un risultato che il team rivendica come il primo. Nanfang Yu e colleghi della Columbia University e della City University di New York (CUNY), hanno raggiunto l'impresa utilizzando "metasuperfici a onde che perdono".

Sebbene esistano molti sistemi ottici diversi per il controllo della luce, questi tendono a dividersi in due tipologie. Uno riguarda il controllo delle proprietà delle onde luminose che viaggiano attraverso lo spazio libero e può includere sistemi che vanno da semplici lenti a telescopi avanzati e ologrammi. L'altro tipo prevede l'uso di circuiti fotonici, che manipolano la propagazione della luce lungo guide d'onda ottiche con una dimensione della sezione trasversale tipicamente di centinaia di nanometri. Questi circuiti sono piattaforme ideali per l'elaborazione ottica delle informazioni, rendendoli elementi chiave dei dispositivi moderni, inclusi sensori e chip di comunicazione ottica.

Con i progressi nelle tecnologie ottiche che vanno dalla realtà aumentata alle sonde per il controllo e la manipolazione dei neuroni, c’è una crescente motivazione a integrare queste due categorie di sistemi di controllo ottico. Tuttavia, come spiega Yu, finora i due sono rimasti in gran parte incompatibili tra loro.

"C'è sempre stata una sfida nell'"interfacciare" queste due categorie", afferma. "È fondamentalmente difficile trasformare una minuscola e semplice modalità di guida d'onda in un'onda ottica ampia e complessa nello spazio libero, o viceversa. Tuttavia, le richieste di sistemi "ibridi" costituiti in parte da circuiti integrati fotonici e in parte da ottiche nello spazio libero sono sempre più numerose. diventando reale."

Per Yu e colleghi, la soluzione risiede nelle metasuperfici, che sono fogli sottili costituiti da matrici di strutture di dimensioni inferiori alla lunghezza d’onda. Queste metasuperfici possono alterare le proprietà delle onde luminose che le attraversano. Nella loro ricerca precedente, hanno mostrato come le metasuperfici possano essere utilizzate per manipolare la luce che viaggia nello spazio libero.

Per estendere queste capacità alle onde luminose guidate, i ricercatori hanno iniziato con un cristallo fotonico (PhC) comprendente una serie quadrata di fori quadrati in una pellicola polimerica. Questo PhC consente ai fogli piatti di luce di propagarsi avanti e indietro come onde stazionarie.

"Nel passaggio successivo, abbiamo introdotto una perturbazione che rompe la simmetria nella lastra PhC deformando i fori quadrati del PhC in rettangolari", spiega Yu. "La perturbazione abbassa il grado di simmetria del PhC in modo che i modi fotonici non siano più confinati nella lastra e possano fuoriuscire nello spazio libero, con un tasso di perdita proporzionale all'entità della perturbazione."

Il team ha scoperto che variando la perturbazione attraverso la lastra – orientando i suoi fori rettangolari lungo direzioni diverse – potevano mettere a punto la forma del fronte d’onda della luce che fuoriesce. Utilizzando le metasuperfici a onde permeabili, il team di Yu ha sviluppato una nuova tecnica per convertire la luce che si propaga attraverso una guida d'onda in un'onda che viaggia nello spazio libero.

La metasuperficie riconfigurabile dirige la luce incoerente in meno di un picosecondo

"Qui, una modalità di guida d'onda di input viene prima espansa in una modalità di guida d'onda a lastra, che entra in una metasuperficie con onde che perdono e produce l'emissione superficiale desiderata", spiega Adam Overvig della CUNY. "In questo modo, la modalità iniziale di guida d'onda semplice confinata all'interno di una guida d'onda con una sezione trasversale dell'ordine di una lunghezza d'onda viene infine convertita in un'onda luminosa che si propaga liberamente con un fronte d'onda complesso, su un'area circa 300 volte la lunghezza d'onda."

Il team ha dimostrato come i loro dispositivi potrebbero produrre diversi modelli di emissione. Questi includevano matrici 2D di punti focali, fronti d'onda a cavatappi, immagini olografiche e raggi laser con polarizzazioni spazialmente variabili. Se la tecnologia verrà ampliata, un giorno questi potrebbero essere applicati a molti tipi diversi di sistemi ottici avanzati. Le applicazioni includono display ottici come ologrammi e occhiali per realtà aumentata; e canali di comunicazione ottica ad alta capacità tra i chip dei computer.