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Apr 09, 2023

Gigahertz grátis

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 13, Número do artigo: 3170 (2022) Citar este artigo

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112 Altmétrica

Detalhes das métricas

Os moduladores eletro-ópticos são essenciais para sensoriamento, metrologia e telecomunicações. A maioria das aplicações de fibra de destino. Em vez disso, as arquiteturas baseadas em metasuperfície que modulam a luz do espaço livre em velocidades de gigahertz (GHz) podem impulsionar a tecnologia de óptica plana por eletrônica de micro-ondas para óptica ativa, computação difrativa ou controle optoeletrônico. As realizações atuais são volumosas ou têm baixa eficiência de modulação. Aqui, demonstramos uma plataforma metasuperfície híbrida de silício orgânico que aproveita as ressonâncias Mie para modulação eletro-óptica eficiente em velocidades de GHz. Exploramos estados quasi-limitados no continuum (BIC) que fornecem largura de linha estreita (Q = 550 em \({\lambda }_{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=1594 \) nm), confinamento de luz ao material não linear, sintonizabilidade por projeto e tensão e eletrodos de velocidade de GHz. A chave para a modulação alcançada de \(\frac{{{\Delta }}T}{{T}_{\max }}=67 \%\) são moléculas com r33 = 100 pm/V e otimização de campo óptico para baixa -perda. Demonstramos o ajuste DC da frequência ressonante de quase-BIC por \({{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}=\) 11 nm, superando sua largura de linha, e modulação de até 5 GHz (fEO,−3dB = 3 GHz). As ressonâncias do modo guiado sintonizam \({{\Delta }}{\lambda }_{{{{{{{{\rm{res}}}}}}}}}=\) 20 nm. Nossa plataforma híbrida pode incorporar nanoestruturas de espaço livre de qualquer geometria ou material, por aplicação da camada ativa pós-fabricação.

Recentemente, as tecnologias fotônicas tornaram-se promissoras para resolver o gargalo da comunicação de alta velocidade1 e da computação de alto desempenho2,3 em vez das tecnologias totalmente eletrônicas tradicionais. Os dispositivos fotônicos de próxima geração precisam manipular a luz em altas velocidades, e a maioria das demonstrações hoje visa aplicações de fibra ou no chip. Alternativamente, as metasuperfícies são ideais para aplicações que requerem um controle compacto de feixes de luz no espaço livre4,5, mas a maioria deles são estáticos. Entre os mecanismos disponíveis que fornecem controle ativo6,7, estruturas eletro-ópticas híbridas8 que empregam efeitos χ(2) para modular campos ópticos por sinais eletrônicos são superiores a técnicas alternativas quando se trata de velocidade: os campos de controle podem ir desde as micro-ondas até o terahertz9 e são aplicados via eletrodos metálicos10,11 ou estruturas de antena12. Várias plataformas de materiais estão disponíveis hoje, incluindo moléculas não lineares orgânicas13, titanato de bário14 e niobato de lítio15, que se beneficiam dos avanços em engenharia molecular16, crescimento17, fabricação e estabilidade18. Normalmente, uma baixa perda óptica e uma alta eficiência de modulação são essenciais para uma ampla gama de aplicações e são especialmente cruciais para aplicações quânticas19,20.

Os moduladores eletro-ópticos ultrafinos de ressonadores de sub-comprimento de onda são excelentes candidatos em aplicações que requerem controle sob medida sobre luz de espaço livre de maneira compacta, como links de comunicação óptica de espaço livre21, alcance de laser coerente, componentes ópticos ativos22, alta moduladores de luz espacial de velocidade23,24 e controle ativo de emissores de espaço livre25. Componentes ópticos planos, como metasuperfícies26,27, dependem de nanoestruturas com tamanho de comprimento de onda menor que alteram as propriedades de um feixe que incide do espaço livre na metasuperfície e são ideais para atender às necessidades de multiplexação espacial além do pixel único. Do ponto de vista do mecanismo de modulação empregado, vários têm sido propostos para metasuperfícies, incluindo a imersão de metasuperfícies em cristais líquidos28, sua cointegração com materiais épsilon-próximo de zero, materiais de mudança de fase29,30,31, heteroestruturas semicondutoras32 ou um mudança no índice de refração por bombeamento com pulsos de femtossegundos33. Porém, dentre todos esses mecanismos, a grande maioria dos moduladores de metasuperfície de luz visível ou de telecomunicações trocam uma modulação eficiente por altas velocidades de modulação e vice-versa. Consequentemente, apenas alguns alcançam velocidades de modulação nas micro-ondas, que são cruciais para aplicações sensíveis ao tempo. As velocidades de comutação demonstradas normalmente atingem alguns kilohertz a alguns megahertz. Como excelente candidato, o efeito eletro-óptico34,35,36,37 é compatível com modulação de alta velocidade, mas a metasuperfície ativa atual apresenta baixa eficiência de modulação. Isso está ligado ao tamanho do subcomprimento de onda dos elementos típicos da metasuperfície, levando a uma região de interação de apenas algumas centenas de nanômetros de comprimento, compatível com a espessura da ótica plana. Além disso, os ressonadores de tamanho de comprimento de onda têm sido caracterizados por fatores de baixa qualidade como resultado de sua pequena ordem modal azimutal.