Image d'un dispositif fabriqué montrant quatre réseaux d'antennes en phase constitués de nano-tiges de silicium de différentes longueurs modelées sur la surface supérieure d'un guide d'ondes LiNbO3. Crédit :Loncar Lab/Harvard SEAS
L'un des plus grands défis du développement de circuits photoniques intégrés, qui utilisent la lumière plutôt que des électrons pour transporter l'information, est de contrôler la quantité de mouvement de la lumière. Les couleurs de la lumière voyagent à des vitesses différentes à travers un matériau mais pour que la lumière soit convertie entre les couleurs, il doit avoir le même élan ou la même phase.
De nombreux dispositifs ont été conçus pour adapter la lumière en impulsion ou en phase à divers points d'un circuit intégré, mais que se passerait-il si le processus d'adaptation de phase pouvait être contourné dans certains cas ?
Chercheurs de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, avec des collaborateurs de la Fu Foundation School of Engineering and Applied Science de l'Université de Columbia, ont développé un système pour convertir une longueur d'onde de lumière en une autre sans avoir besoin de faire correspondre les phases.
La recherche a été publiée dans Communication Nature .
"Pour que tout processus de conversion de longueur d'onde soit efficace, il doit être soigneusement conçu pour correspondre à la phase, et cela ne fonctionne qu'à une seule longueur d'onde, " a déclaré Marko Loncar, le professeur Tiantsai Lin de génie électrique à SEAS et auteur principal de l'article. « Les appareils présentés dans cet ouvrage, en revanche, n'ont pas besoin de satisfaire à l'exigence d'adaptation de phase, et peut convertir la lumière dans une large gamme de couleurs."
Le convertisseur repose sur une métasurface, constitué d'un réseau de nanostructures de silicium, intégré dans un guide d'onde en niobate de lithium. La lumière traverse le guide d'ondes, interagir avec les nanostructures en cours de route. Le réseau de nanostructures agit comme une antenne de télévision en recevant le signal optique, en manipulant son élan et en le réémettant dans le guide d'ondes.
Image au microscope électronique à balayage (MEB) de l'appareil fabriqué. Crédit :Loncar Lab/Harvard SEAS
"Contrairement à la plupart des métasurfaces, où la lumière se déplace perpendiculairement à la métasurface, ici la lumière interagit avec la métasurface tout en étant confinée à l'intérieur d'un guide d'onde, " a déclaré Cheng Wang, co-premier auteur de l'article et stagiaire postdoctoral à SEAS. "De cette façon, nous profitons à la fois du contrôle de la quantité de mouvement de la métasurface et d'une longue distance d'interaction."
Les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient doubler la fréquence d'une longueur d'onde, convertir les couleurs proches de l'infrarouge en rouge, avec une grande efficacité sur une large bande passante. Dans des recherches antérieures, l'équipe a démontré qu'elle pouvait également contrôler et convertir la polarisation et le mode d'une onde guidée en utilisant une structure similaire.
"La métasurface intégrée se distingue des autres mécanismes d'adaptation de phase en ce qu'elle fournit une quantité de mouvement optique unidirectionnelle pour coupler l'énergie optique de l'un à l'autre des composants de couleur - tout en inhibant le processus inverse - qui est essentiel pour réaliser une conversion non linéaire à large bande, " dit Nanfang Yu, professeur adjoint de physique appliquée à Columbia et co-auteur principal de l'article. "Les travaux futurs démontreront des dispositifs photoniques intégrés à large bande basés sur des métasurfaces pour réaliser d'autres fonctions telles que la modulation optique."
