Een team van Columbia Engineering-onderzoekers, onder leiding van assistent-hoogleraar Technische Natuurkunde Nanfang Yu, heeft een methode uitgevonden om de verspreiding van licht in beperkte paden te beheersen, of golfgeleiders, met hoge efficiëntie door gebruik te maken van nano-antennes. Om deze techniek te demonstreren, ze bouwden fotonisch geïntegreerde apparaten die niet alleen record-kleine footprints hadden, maar ook in staat waren om optimale prestaties te behouden over een ongekend breed golflengtebereik.

Fotonische geïntegreerde schakelingen (IC's) zijn gebaseerd op licht dat zich voortplant in optische golfgeleiders, en het beheersen van dergelijke lichtvoortplanting is een centraal punt bij het bouwen van deze chips, die licht gebruiken in plaats van elektronen om gegevens te transporteren. Yu's methode zou kunnen leiden tot snellere, krachtiger, en efficiëntere optische chips, wat op zijn beurt optische communicatie en optische signaalverwerking zou kunnen transformeren. De studie is online gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie 17 april.

"We hebben geïntegreerde nanofotonische apparaten gebouwd met de kleinste voetafdruk en de grootste operationele bandbreedte ooit, "De mate waarin we nu met behulp van nano-antennes de grootte van fotonisch geïntegreerde apparaten kunnen verkleinen, is vergelijkbaar met wat er in de jaren vijftig gebeurde toen grote vacuümbuizen werden vervangen door veel kleinere halfgeleidertransistors. Dit werk biedt een revolutionaire oplossing voor een fundamenteel wetenschappelijk probleem:hoe kan licht dat zich in golfgeleiders voortplant op de meest efficiënte manier beheersen?"

De optische kracht van lichtgolven die zich langs golfgeleiders voortplanten, is beperkt tot de kern van de golfgeleider:onderzoekers hebben alleen toegang tot de geleide golven via de kleine verdwijnende "staarten" die zich nabij het oppervlak van de golfgeleider bevinden. Deze ongrijpbare geleide golven zijn bijzonder moeilijk te manipuleren en daarom zijn fotonisch geïntegreerde apparaten vaak groot van formaat, ruimte innemen en zo de apparaatintegratiedichtheid van een chip beperken. Krimpende fotonische geïntegreerde apparaten vormen een primaire uitdaging die onderzoekers willen overwinnen, het spiegelen van de historische vooruitgang van elektronica die de wet van Moore volgt, dat het aantal transistors in elektronische IC's ongeveer elke twee jaar verdubbelt.

Yu's team ontdekte dat de meest efficiënte manier om licht in golfgeleiders te regelen, is om de golfgeleiders te "versieren" met optische nano-antennes:deze miniatuurantennes trekken licht van binnenuit de kern van de golfgeleider, de eigenschappen van het licht wijzigen, en laat licht terug in de golfgeleiders. Het cumulatieve effect van een dicht opeengepakte reeks nano-antennes is zo sterk dat ze functies kunnen bereiken zoals golfgeleidermodusconversie binnen een voortplantingsafstand van niet meer dan tweemaal de golflengte.

"Dit is een doorbraak gezien het feit dat conventionele benaderingen om golfgeleidermodusconversie te realiseren apparaten vereisen met een lengte die tientallen honderden keren de golflengte is, " zegt Yu. "We hebben het apparaat met een factor 10 tot 100 kunnen verkleinen."

De teams van Yu hebben golfgeleidermodus-converters gemaakt die een bepaalde golfgeleidermodus kunnen omzetten in een andere golfgeleidermodus; dit zijn de belangrijkste factoren die een technologie mogelijk maken die "mode-division multiplexing" (MDM) wordt genoemd. Een optische golfgeleider kan een fundamentele golfgeleidermodus en een reeks modi van hogere orde ondersteunen, op dezelfde manier kan een gitaarsnaar één grondtoon en zijn harmonischen ondersteunen. MDM is een strategie om de informatieverwerkingskracht van een optische chip aanzienlijk te vergroten:men zou dezelfde kleur licht kunnen gebruiken maar verschillende golfgeleidermodi om verschillende onafhankelijke informatiekanalen tegelijkertijd te transporteren, allemaal door dezelfde golfgeleider. "Dit effect is als, bijvoorbeeld, de George Washington-brug die op magische wijze een paar keer meer verkeersvolume aankan, " legt Yu uit. "Onze waveguide-modusconverters zouden de creatie van veel meer capacitieve informatiepaden mogelijk maken."

Hij is van plan om actief afstembare optische materialen op te nemen in de fotonisch geïntegreerde apparaten om actieve controle van licht dat zich in golfgeleiders voortplant, mogelijk te maken. Dergelijke actieve apparaten zullen de basisbouwstenen zijn van augmented reality (AR)-brillen - een bril die eerst de oogafwijkingen van de drager bepaalt en vervolgens aberratie-gecorrigeerde beelden in de ogen projecteert - die hij en zijn collega's van Columbia Engineering, Hoogleraren Michal Lipson, Alex Gaeta, Demetri Basov, Jim Hon, en Harish Krishnaswamy werken nu aan. Yu onderzoekt ook het omzetten van golven die zich in golfgeleiders voortplanten in sterke oppervlaktegolven. die uiteindelijk kunnen worden gebruikt voor chemische en biologische detectie op de chip.

De studie is getiteld, "Controle van voortplanting en koppeling van golfgeleidermodi met behulp van fasegradiëntmetasurfaces."