Un team di ricercatori della Columbia Engineering, guidato dall'assistente professore di fisica applicata Nanfang Yu, ha inventato un metodo per controllare la propagazione della luce in percorsi ristretti, o guide d'onda, ad alta efficienza utilizzando nano-antenne. Per dimostrare questa tecnica, hanno costruito dispositivi fotonici integrati che non solo avevano impronte minime da record, ma erano anche in grado di mantenere prestazioni ottimali su un'ampia gamma di lunghezze d'onda senza precedenti.

I circuiti integrati fotonici (CI) si basano sulla propagazione della luce in guide d'onda ottiche, e il controllo di tale propagazione della luce è un problema centrale nella costruzione di questi chip, che utilizzano la luce invece degli elettroni per trasportare i dati. Il metodo di Yu potrebbe portare a più velocemente, più potente, e chip ottici più efficienti, che a sua volta potrebbe trasformare le comunicazioni ottiche e l'elaborazione del segnale ottico. Lo studio è pubblicato online in Nanotecnologia della natura 17 aprile.

"Abbiamo realizzato dispositivi nanofotonici integrati con l'ingombro minimo e la larghezza di banda operativa più ampia di sempre, " Yu dice. "Il grado in cui ora possiamo ridurre le dimensioni dei dispositivi fotonici integrati con l'aiuto di nano-antenne è simile a quello che è successo negli anni '50, quando i grandi tubi a vuoto sono stati sostituiti da transistor a semiconduttore molto più piccoli. Questo lavoro fornisce una soluzione rivoluzionaria a un problema scientifico fondamentale:come controllare la propagazione della luce nelle guide d'onda nel modo più efficiente?"

La potenza ottica delle onde luminose che si propagano lungo le guide d'onda è confinata all'interno del nucleo della guida d'onda:i ricercatori possono accedere alle onde guidate solo tramite le piccole "code" evanescenti che esistono vicino alla superficie della guida d'onda. Queste onde guidate sfuggenti sono particolarmente difficili da manipolare e quindi i dispositivi integrati fotonici sono spesso di grandi dimensioni, occupando spazio e limitando così la densità di integrazione del dispositivo di un chip. Il restringimento dei dispositivi fotonici integrati rappresenta una sfida primaria che i ricercatori intendono superare, rispecchiando la progressione storica dell'elettronica che segue la legge di Moore, che il numero di transistor nei circuiti integrati elettronici raddoppia circa ogni due anni.

Il team di Yu ha scoperto che il modo più efficiente per controllare la luce nelle guide d'onda è "decorare" le guide d'onda con nano-antenne ottiche:queste antenne in miniatura attirano la luce dall'interno del nucleo della guida d'onda, modificare le proprietà della luce, e rilasciare la luce nelle guide d'onda. L'effetto cumulativo di una serie densa di nano-antenne è così forte che potrebbero ottenere funzioni come la conversione della modalità di guida d'onda entro una distanza di propagazione non superiore al doppio della lunghezza d'onda.

"Si tratta di una svolta, considerando che gli approcci convenzionali per realizzare la conversione in modalità guida d'onda richiedono dispositivi con una lunghezza che è decine di centinaia di volte la lunghezza d'onda, " Dice Yu. "Siamo stati in grado di ridurre le dimensioni del dispositivo di un fattore da 10 a 100".

I team di Yu hanno creato convertitori in modalità guida d'onda in grado di convertire una determinata modalità guida d'onda in un'altra modalità guida d'onda; questi sono fattori abilitanti chiave di una tecnologia chiamata "multiplexing a divisione di modalità" (MDM). Una guida d'onda ottica può supportare una modalità guida d'onda fondamentale e una serie di modalità di ordine superiore, allo stesso modo una corda di chitarra può supportare un tono fondamentale e le sue armoniche. L'MDM è una strategia per aumentare sostanzialmente la potenza di elaborazione delle informazioni di un chip ottico:si potrebbe utilizzare lo stesso colore della luce ma diverse modalità di guida d'onda per trasportare simultaneamente diversi canali indipendenti di informazioni, tutto attraverso la stessa guida d'onda. "Questo effetto è come, Per esempio, il George Washington Bridge che ha magicamente la capacità di gestire un volume di traffico alcune volte maggiore, " Yu spiega. "I nostri convertitori in modalità guida d'onda potrebbero consentire la creazione di percorsi di informazione molto più capacitivi".

Ha in programma di incorporare materiali ottici sintonizzabili attivamente nei dispositivi fotonici integrati per consentire il controllo attivo della propagazione della luce nelle guide d'onda. Tali dispositivi attivi saranno gli elementi costitutivi di base degli occhiali per realtà aumentata (AR), occhiali che prima determinano le aberrazioni oculari di chi li indossa e poi proiettano negli occhi immagini corrette per l'aberrazione, che lui e i suoi colleghi della Columbia Engineering, Professori Michal Lipson, Alex Gaeta, Demetri Basov, Jim Hone, e Harish Krishnaswamy ci stanno lavorando ora. Yu sta anche esplorando la conversione delle onde che si propagano nelle guide d'onda in forti onde di superficie, che potrebbe eventualmente essere utilizzato per il rilevamento chimico e biologico su chip.

Lo studio è intitolato, "Controllo della propagazione e dell'accoppiamento delle modalità di guida d'onda utilizzando metasuperfici a gradiente di fase".