Penn State University anunció recientemente un gran avance en la tecnología de control de luz a nivel de circuito, creando una interfaz más viable entre la propagación de ondas en el espacio libre y la guía de ondas controlada.
La investigación publicada en Science Advances detalla logros impresionantes al unir la luz del espacio libre en una guía de ondas. Anteriormente, había sido difícil acoplar con éxito la luz guiada por ondas en el espacio libre (debido al control de fase limitado).
Los investigadores han desarrollado una arquitectura híbrida en la que se depositan metaátomos del tamaño de sublongitud de onda en la superficie de una guía de ondas, lo que permite integrar funciones específicas de la aplicación basadas en la luz a nivel de chip.

La importancia de la luz guiada cónica

Desarrollado numérica y experimentalmente, el equipo de investigación demostró con éxito la desviación del haz fuera del chip y el enfoque de la luz con control de metasuperficie. Como se muestra a continuación, se desarrollaron configuraciones de prueba para la dirección del haz.


Diagrama de dirección y enfoque de haz fuera de chip. Imagen utilizada por cortesía de Science Advances

Para enfocar el haz, los investigadores utilizaron un oscilador paramétrico óptico bombeado por láser acoplado a una fibra de modo de señal con lente cónica, y desde allí al espacio libre.
Metasurfaces ofrece una interfaz de acoplamiento óptico con capacidad de filtrado incorporada, proporcionando una transformación bidireccional entre un frente de onda de espacio libre y una transmisión de modo único (TE00).
Los estudios complementarios demostraron cómo los investigadores probaron su antena de nanobarras metálicas desarrollada para completar simulaciones utilizando un paquete de solución de método de elementos finitos (FEM) disponible comercialmente. Los datos suplementarios indican claramente el control de las metasuperficies para la generación de frente de onda en varias longitudes de onda.
Fundamentalmente, las metasuperficies proporcionan control sobre la frecuencia, polarización, fase y amplitud de la luz como se ve a continuación:

Funciones basadas en la luz
Funciones basadas en la luz, a) un paso de banda, b) un filtro de muesca, c) una superficie de alta impedancia, yd) un "absorbedor perfecto" de banda estrecha. Imagen utilizada por cortesía de Xiao et. Alabama

Cómo Penn State aprovechó metasuperficies

La investigación de Penn State utiliza la fase acumulada (βx) y el cambio de fase abrupto (ΔΦx) para superar el control de fase previamente limitado (π).
Mediante el uso de una colocación diseñada de las metasuperficies con desplazamiento de fase completo (2π), los investigadores produjeron patrones de antena de fotones de espacio libre impulsados ​​por la guía de ondas a frecuencias nanométricas específicas (1550 nm) en un punto focal deseado.

Guía de onda acoplada a Metasurface
Representación artística de la guía de onda acoplada metasurface que permite funciones específicas basadas en la luz. Imagen utilizada por cortesía de Science Advances

Hay consideraciones de eficiencia con el diseño actual de la nanobarra de metal de metasurface, que tiene una pérdida de absorción del 45,5%. Un segundo diseño utilizó dieléctrico puro y redujo la disipación de potencia total en diez veces, principalmente debido a la ausencia de componentes metálicos. La eficiencia general de extracción ascendente de la interfaz de metasuperficie es del 9%.

El valor de los chips fotónicos integrados

Según Edmund Optics, la importancia de PIC se hace cada vez más evidente a medida que superamos los límites de las tecnologías basadas en electrones.
La tecnología fotónica ofrece un ancho de banda mejorado, mayor velocidad y menores requisitos de energía que las tecnologías basadas en RF equivalentes. La fibra monomodo, debidamente multiplexada, puede transmitir rendimientos significativamente más altos que los sistemas de cobre.
Los fotones generalmente no chocan entre sí en tránsito y, como tales, no generan el calor que normalmente tratamos en los sistemas basados ​​en electrones. Esto significa que hay menos calor desperdiciado para expulsar del sistema, y ​​el sistema es mucho más eficiente desde el punto de vista energético.

Poner la luz a trabajar en aplicaciones PIC

La tecnología Penn State ofrece opciones poderosas para la tecnología PIC integrada con las capacidades de formación de haces de las metasuperficies. Las superficies de metal son propicias para la transmisión y recepción de fotones altamente coherentes directamente en el chip.
La tecnología LiDAR, que funciona según el mismo principio que RADAR pero con fotones, utiliza la métrica de intensidad de energía para caracterizar objetos. Dado que la nueva tecnología ofrece la capacidad de generar funciones específicas basadas en la luz, los ingenieros pueden, en el futuro, desarrollar LiDAR dirigido por haz de alta intensidad, capaz de patrones de antena altamente direccionales para mayores distancias de detección.

Imagen de forma de onda LiDAR
Se genera un perfil de intensidad de energía idealizado basado en el retorno de fotones de LiDAR. Una mayor intensidad indica mayores reflejos de fotones al receptor del LiDAR. Imagen utilizada por cortesía de la Red Nacional de Observatorios Ecológicos

Basado en el aumento de la densidad PIC que ofrecen los avances, el equipo de investigación ve aplicaciones futuras que van desde tecnologías de visualización en miniatura para realidad virtual y dispositivos de realidad aumentada hasta proyección holográfica.
Los beneficios de los circuitos fotónicos integrados han sido bien documentados en la investigación, y con el advenimiento de esta nueva tecnología que combina PIC y metasuperficies, los ingenieros pueden continuar empujando los límites de la electrónica moderna.

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