Immagine di un dispositivo fabbricato che mostra quattro array di antenne in fase costituiti da nano-barre di silicio di diverse lunghezze modellate sulla superficie superiore di una guida d'onda LiNbO3. Credito:Loncar Lab/Harvard SEAS
Una delle maggiori sfide nello sviluppo di circuiti fotonici integrati, che utilizzano la luce anziché gli elettroni per trasportare le informazioni, è controllare la quantità di moto della luce. I colori della luce viaggiano a velocità diverse attraverso un materiale, ma affinché la luce possa essere convertita tra i colori, deve avere lo stesso slancio o fase.
Molti dispositivi sono stati progettati per l'adattamento del momento o l'adattamento di fase della luce in vari punti di un circuito integrato, ma cosa accadrebbe se il processo di adattamento di fase potesse essere aggirato tutti insieme in determinati casi?
Ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, insieme ai collaboratori della Fu Foundation School of Engineering and Applied Science della Columbia University, hanno sviluppato un sistema per convertire una lunghezza d'onda della luce in un'altra senza la necessità di far corrispondere le fasi.
La ricerca è stata pubblicata su Comunicazioni sulla natura .
"Affinché qualsiasi processo di conversione della lunghezza d'onda sia efficiente, deve essere attentamente progettato per la corrispondenza di fase, e funziona solo a una singola lunghezza d'onda, " ha detto Marko Loncar, il Tiantsai Lin Professor di Ingegneria Elettrica presso SEAS e autore senior del documento. "I dispositivi mostrati in questo lavoro, in contrasto, non è necessario soddisfare il requisito di corrispondenza di fase, e può convertire la luce in un'ampia gamma di colori."
Il convertitore si basa su una metasuperficie, costituito da una matrice di nanostrutture di silicio, integrato in una guida d'onda in niobato di litio. La luce passa attraverso la guida d'onda, interagendo con le nanostrutture lungo il percorso. L'array di nanostrutture agisce come un'antenna TV, ricevendo il segnale ottico, manipolando il suo slancio e riemettendolo nuovamente nella guida d'onda.
Immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) del dispositivo fabbricato. Credito:Loncar Lab/Harvard SEAS
"A differenza della maggior parte delle metasuperfici, dove la luce viaggia perpendicolarmente alla metasuperficie, qui la luce interagisce con la metasuperficie pur essendo confinata all'interno di una guida d'onda, " ha detto Cheng Wang, co-primo autore dell'articolo e borsista post-dottorato presso SEAS. "In questo modo, sfruttiamo sia il controllo del momento dalla metasuperficie che una lunga distanza di interazione."
I ricercatori hanno dimostrato di poter raddoppiare la frequenza di una lunghezza d'onda, convertire i colori del vicino infrarosso in rosso, ad alta efficienza su un'ampia larghezza di banda. In precedenti ricerche, il team ha dimostrato di poter anche controllare e convertire la polarizzazione e la modalità di un'onda guidata utilizzando una struttura simile.
"La metasuperficie integrata si distingue dagli altri meccanismi di corrispondenza di fase in quanto fornisce un momento ottico unidirezionale per accoppiare l'energia ottica da uno all'altro dei componenti di colore, inibendo il processo inverso, che è fondamentale per realizzare la conversione non lineare a banda larga, " disse Nanfang Yu, assistente professore di fisica applicata alla Columbia e co-autore senior del documento. "Il lavoro futuro dimostrerà dispositivi fotonici integrati a banda larga basati su metasuperfici per realizzare altre funzioni come la modulazione ottica".
