Wetenschap
Schakelbare golffrontvorming met Gigahertz-snelheid door LNOI-aangedreven metasurface
De afgelopen tien jaar zijn metasurfaces die gebruik maken van tweedimensionale kunstmatige nanostructuren naar voren gekomen als een baanbrekend platform om licht over verschillende vrijheidsgraden te manipuleren. Deze metasurfaces vertonen een aanzienlijk potentieel in fundamenteel wetenschappelijk onderzoek en industriële toepassingen.
Vergeleken met de statische controle van optische velden introduceert dynamische optische veldcontrole nieuwe controlevariabelen in het tijdsdomein, waardoor real-time bundelvorming, ruimtelijke lichtmodulatie, informatieverwerking en meer mogelijk worden. Actieve metasurfaces, die in staat zijn om licht in zowel ruimtelijke als temporele domeinen met hoge snelheden te manipuleren, hebben het potentieel om nieuwe grenzen te openen in de fotonische technologie, en de kloof te overbruggen tussen theoretische natuurkunde en praktische toepassingen.
Dynamische herconfigureerbare functionaliteit is essentieel. Ondanks het verkennen van een reeks materialen en technieken om de afstembaarheid van het metasurface te verbeteren, blijft het bereiken van afstembare golffronten bij zeer hoge snelheden een enorme uitdaging. Gelukkig biedt de recente opkomst van lithium-niobaat-op-isolator (LNOI)-technologie een veelbelovend platform voor afstembaar metasurface met ultrahoge snelheid.
LNOI onderscheidt zich als een veelzijdig materiaal voor fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC's), vooral vanwege het uitstekende elektro-optische effect. Deze technologie heeft aanzienlijk geavanceerde PIC's opgeleverd, waardoor ze zijn gepositioneerd als een toonaangevend platform voor toekomstige elektro-optische modulatieapparaten met hoge snelheid.
Onlangs heeft een gezamenlijke onderzoeksgroep van de East China Normal University en de Nanjing University met succes elektroden, metasurface en LNOI fotonische golfgeleider geïntegreerd – allemaal binnen een PIC-apparaat. Zoals gerapporteerd in Advanced Photonics , demonstreren ze een ultrasnel golffrontvormend metasurface met het geïntegreerde PIC-aangedreven metasurface.
Door verschillende elektrische signalen op de elektroden toe te passen, vertoont het apparaat het vermogen om elk golffront in herconfigureerbare willekeurige polarisatietoestanden te vormen. De onderzoekers demonstreren de snelle afstembaarheid van verschillende functionaliteiten, waaronder laterale brandpuntspositie en controle van de brandpuntsafstand, orbitaal impulsmoment (OAM) en Bessel-bundels.
Door een effectieve combinatie van de voortplantingsfase en de geometrische fase van dubbelbrekende nanostructuren binnen dit golfgeleiderschema kan de afstembaarheid van deze functionaliteiten worden gecontroleerd in willekeurige orthogonale polarisaties. De experimentele metingen demonstreren de werking van het systeem bij modulatiesnelheden tot 1,4 gigahertz.
De auteurs benadrukken dat het huidige hogesnelheidsmodulatieresultaat voorlopig is. Het apparaat heeft de potentie om de modulatiesnelheid te verhogen tot honderden gigahertz door het ontwerp van de elektroden te optimaliseren en gebruik te maken van het elektro-optische effect van lithiumniobaat.
Corresponderende auteur Prof. Lin Li, van het State Key Laboratory of Precision Spectroscopy aan de East China Normal University, merkt op:"De integratie van metasurfaces met subgolflengte en optische golfgeleiders biedt een veelzijdig en efficiënt middel om licht met hoge snelheid over meerdere vrijheidsgraden te manipuleren. compacte PIC-apparaten. Deze vooruitgang maakt de weg vrij voor potentiële toepassingen in optische communicatie, berekeningen, detectie en beeldvorming."