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Mar 13, 2023

com vazamento

Pesquisadores nos EUA mostraram como a luz viajando através de guias de ondas ópticas

Pesquisadores nos EUA mostraram como a luz que viaja através de guias de ondas ópticas pode ser convertida em ondas de luz de propagação livre com frentes de onda arbitrárias – uma conquista que a equipe afirma ser a primeira. Nanfang Yu e colegas da Columbia University e da City University of New York (CUNY), conseguiram a façanha usando "metasuperfícies de ondas furadas".

Embora existam muitos sistemas ópticos diferentes para controlar a luz, eles tendem a se dividir em dois tipos. Um envolve o controle das propriedades das ondas de luz que viajam pelo espaço livre e pode incluir sistemas que vão desde lentes simples até telescópios avançados e hologramas. O outro tipo envolve o uso de circuitos fotônicos, que manipulam a propagação da luz ao longo de guias de ondas ópticas com uma dimensão transversal de tipicamente centenas de nanômetros. Esses circuitos são plataformas ideais para processamento de informações ópticas, tornando-os elementos-chave de dispositivos modernos, incluindo sensores e chips de comunicação óptica.

Com os avanços nas tecnologias ópticas que vão desde a realidade aumentada até sondas para controlar e manipular neurônios, há uma motivação crescente para integrar essas duas categorias de sistemas de controle óptico. No entanto, como Yu explica, os dois até agora permaneceram incompatíveis um com o outro.

"Sempre houve um desafio em 'interfacear' essas duas categorias", diz ele. "É fundamentalmente difícil transformar um modo de guia de onda minúsculo e simples em uma ampla e complexa onda óptica de espaço livre, ou vice-versa. tornando-se reais."

Para Yu e seus colegas, a solução está nas metasuperfícies, que são folhas finas feitas de matrizes de estruturas de tamanho subcomprimento de onda. Essas metasuperfícies podem alterar as propriedades das ondas de luz que passam por elas. Em suas pesquisas anteriores, eles mostraram como as metasuperfícies podem ser usadas para manipular a luz que viaja no espaço livre.

Para estender esses recursos para ondas de luz guiadas, os pesquisadores começaram com um cristal fotônico (PhC) composto por uma matriz quadrada de orifícios quadrados em um filme de polímero. Este PhC permite que folhas planas de luz se propaguem para frente e para trás como ondas estacionárias.

"Na próxima etapa, introduzimos uma perturbação de quebra de simetria na laje PhC, deformando os orifícios quadrados do PhC em retângulos", explica Yu. "A perturbação reduz o grau de simetria do PhC, de modo que os modos fotônicos não estão mais confinados à placa e podem vazar para o espaço livre, com uma taxa de vazamento proporcional à magnitude da perturbação."

A equipe descobriu que, variando a perturbação na placa – orientando seus orifícios retangulares em diferentes direções – eles poderiam ajustar a forma da frente de onda da luz vazada. Usando suas metasuperfícies de ondas com vazamento, a equipe de Yu desenvolveu uma nova técnica para converter a luz que se propaga através de um guia de ondas em uma onda viajando no espaço livre.

A metasuperfície reconfigurável controla a luz incoerente em menos de um picossegundo

“Aqui, um modo de guia de onda de entrada é primeiro expandido para um modo de guia de onda slab, que entra em uma metasuperfície de onda com vazamento e produz a emissão de superfície desejada”, explica Adam Overvig, da CUNY. "Dessa forma, o modo inicial de guia de onda simples confinado dentro de um guia de onda com uma seção transversal da ordem de um comprimento de onda é eventualmente convertido em uma onda de luz de propagação livre com uma frente de onda complexa, em uma área de cerca de 300 vezes o comprimento de onda."

A equipe demonstrou como seus dispositivos podem produzir diversos padrões de emissão. Isso incluía matrizes 2D de pontos focais, frentes de onda em saca-rolhas, imagens holográficas e feixes de laser com polarizações espacialmente variadas. Se a tecnologia for ampliada, elas poderão um dia ser aplicadas em muitos tipos diferentes de sistemas ópticos avançados. As aplicações incluem exibições ópticas como hologramas e óculos de realidade aumentada; e canais de comunicação óptica de alta capacidade entre chips de computador.