Een van de grootste uitdagingen bij het ontwikkelen van geïntegreerde fotonische circuits - die licht gebruiken in plaats van elektronen om informatie te transporteren - is het beheersen van het momentum van licht. Kleuren licht reizen met verschillende snelheden door een materiaal, maar om licht tussen kleuren om te zetten, het moet hetzelfde momentum of dezelfde fase hebben.

Veel apparaten zijn ontworpen om licht op verschillende punten in een geïntegreerde schakeling momentum- of fase-afstemming te geven, maar wat als het fase-afstemmingsproces in bepaalde gevallen helemaal zou kunnen worden omzeild?

Onderzoekers aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, samen met medewerkers van de Fu Foundation School of Engineering and Applied Science aan de Columbia University, hebben een systeem ontwikkeld om de ene golflengte van licht om te zetten in een andere zonder dat fase-aanpassing nodig is.

Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

"Om ervoor te zorgen dat elk golflengteconversieproces efficiënt is, het moet zorgvuldig worden ontworpen om te faseren, en het werkt alleen op een enkele golflengte, " zei Marko Loncar, de Tiantsai Lin Professor of Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het papier. "De apparaten die in dit werk worden getoond, in tegenstelling tot, niet hoeven te voldoen aan de fase-afstemmingseis, en kan licht omzetten in een breed kleurbereik."

De converter vertrouwt op een meta-oppervlak, bestaande uit een reeks silicium nanostructuren, geïntegreerd in een lithiumniobaat golfgeleider. Het licht gaat door golfgeleider, interactie met de nanostructuren onderweg. De reeks nanostructuren werkt als een tv-antenne:ze ontvangen het optische signaal, het manipuleren van het momentum en het opnieuw uitzenden in de golfgeleider.

"In tegenstelling tot de meeste meta-oppervlakken, waar licht loodrecht op het meta-oppervlak reist, hier interageert licht met het meta-oppervlak terwijl het wordt opgesloten in een golfgeleider, " zei Cheng Wang, co-eerste auteur van de paper en postdoctoraal onderzoeker bij SEAS. "Op deze manier, we profiteren van zowel de impulscontrole van het meta-oppervlak als een lange interactieafstand."

De onderzoekers toonden aan dat ze de frequentie van een golflengte konden verdubbelen, bijna-infraroodkleuren omzetten in rood, met een hoog rendement over een brede bandbreedte. In eerder onderzoek is het team toonde aan dat ze met een vergelijkbare structuur ook de polarisatie en modus van een geleide golf konden regelen en omzetten.

"Het geïntegreerde meta-oppervlak onderscheidt zich van andere fase-afstemmingsmechanismen doordat het een unidirectioneel optisch momentum biedt om optische energie van de ene naar de andere kleurcomponenten te koppelen - terwijl het inverse proces wordt geremd - wat van cruciaal belang is voor het realiseren van niet-lineaire breedbandconversie, " zei Nanfang Yu, assistent-professor toegepaste natuurkunde aan Columbia en een co-senior auteur van het artikel. "Toekomstig werk zal breedband geïntegreerde fotonische apparaten demonstreren op basis van metasurfaces voor het realiseren van andere functies zoals optische modulatie."