Jüngste technologische Fortschritte haben uns eine bemerkenswerte Fähigkeit verliehen, Lichtwellen zu manipulieren und zu kontrollieren, was zahlreiche Anwendungen in verschiedenen Bereichen wie optischer Kommunikation, Sensorik, Bildgebung, Energie und Quantencomputing eröffnet. Im Zentrum dieses Fortschritts stehen photonische Strukturen, die Lichtwellen steuern können, entweder auf Chipebene in Form von photonischen integrierten Schaltkreisen (PICs) oder im freien Raum als Metaoptiken.
Die Kombination dieser Strukturen ermöglicht die Schaffung kompakter optischer Systeme. Mit den PICs können subtile Änderungen an der Lichtwelle vorgenommen werden, beispielsweise die Manipulation ihrer Phase und Intensität, um eine gewünschte Ausgabe zu erzielen, die dann durch Metaoptiken im freien Raum gesteuert werden kann. Solche kombinierten Systeme können Qubits für Quantencomputer und Leistungslichterkennung sowie Entfernungsmesssysteme steuern, wie sie für die Navigation und Kartierung autonomer Fahrzeuge verwendet werden.
Da PICs Wellenleiter im Nanometerbereich verwenden, um Licht einzuschränken und zu lenken, ist die Kopplung ihres Lichts an und von größeren Geräten, wie etwa optischen Fasern, schwierig. Zu diesem Zweck werden üblicherweise Gitterkoppler verwendet, da sie aufgrund ihrer Gitterstruktur das in die Wellenleiter des PIC ein- oder austretende Licht beugen können. Allerdings können diese Geräte die Lichtwelle nur bis zu einem gewissen Grad formen, was ihre Anwendbarkeit einschränkt.
Angesichts dieses Mangels wurden Metaoptiken vorgeschlagen, die in der Lage sind, optische Wellenfronten mit beliebigen Formen zu manipulieren, um Licht von PICs einzukoppeln. Obwohl dieser Ansatz vielversprechend ist, wurde bisher noch keine multifunktionale Kopplung zwischen PIC und freiem Raum berichtet.
Nun, in einer Studie veröffentlicht in Fortschrittlicher Photonik-NexusForscher der University of Washington haben eine hybride PIC/Meta-Optik-Plattform im Chip-Maßstab demonstriert, die aus einem photonischen integrierten Schaltkreis mit Gittern unter einem separaten Meta-Optik-Chip besteht. Der PIC besteht aus 16 identischen Gittern, die in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet sind, jedes eine Aperturgröße von 300 Mikrometern hat und über einen Gitterkoppler an eine optische Faser gekoppelt ist. Diese Gitter dienen als Wellenleiter und leiten das Licht von der Faser zum Metaoptik-Chip, der das Licht formt und parallel zum Eingangslicht in den freien Raum ausgibt.
„Mithilfe einer Reihe verlustarmer Metaoptiken haben wir eine flexible und austauschbare Schnittstelle zwischen einem photonischen integrierten Schaltkreis und freiem Raum entwickelt“, sagt der leitende Autor, Associate Professor Arka Majumdar von der University of Washington in Seattle.
Mit dieser Plattform konnten die Forscher gleichzeitig Licht durch 14 PIC-Gitter leiten und dann den entsprechenden Strahl mit 14 verschiedenen Metaoptiken formen, wie etwa Metalinsen, Wirbelstrahlgeneratoren, Linsen mit erweiterter Tiefenschärfe und Hologrammen.
„Metaoptik hat die Fähigkeit, optische Wellenfronten zu formen, um eine multifunktionale Schnittstelle zwischen Freiraumoptik und integrierter Photonik zu schaffen. Diese Studie macht sich das zunutze. Alle Lichtstrahlen, die aus dem PIC kommen, sind identisch, aber durch die Platzierung unterschiedlicher Metaoptiken.“ „Auf jedem Gitter konnten wir die Strahlen gleichzeitig einzeln manipulieren“, erklärt Majumdar.
Bei ihren Experimenten mit verschiedenen Metaoptiken stellten die Forscher fest, dass das Gerät mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit funktionierte, auch ohne vorherige Kenntnis des Eingangslichts oder der Notwendigkeit einer präzisen Ausrichtung zwischen den beiden Chips. Konkret erreichten sie einen beugungsbegrenzten Fleck von drei Mikrometern und ein holographisches Bild mit einem Spitzen-Signal-Rausch-Verhältnis von mehr als 10 Dezibel.
Das bemerkenswerte Merkmal des vorgeschlagenen Geräts ist seine Fähigkeit, seine Funktionalität einfach durch Austausch der mit dem PIC verbundenen Metaoptik zu ändern. Dies ermöglicht vielfältige Möglichkeiten zur Steuerung und Veränderung von Lichtstrahlen mit hoher Fehlertoleranz. Die potenziellen Anwendungen dieser Schnittstelle sind vielfältig und umfassen Strahllenkung, Erzeugung von strukturiertem Licht, optisches Einfangen und Manipulation kalter Atom-Qubits.
Mehr Informationen:
Quentin AA Tanguy et al, Multifunktionale Schnittstelle zwischen integrierter Photonik und freiem Raum, Fortschrittlicher Photonik-Nexus (2023). DOI: 10.1117/1.APN.2.3.036012