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Mar 13, 2023

Qui fuit

Des chercheurs américains ont montré comment la lumière traversant des guides d'ondes optiques

Des chercheurs aux États-Unis ont montré comment la lumière traversant des guides d'ondes optiques peut être convertie en ondes lumineuses se propageant librement avec des fronts d'onde de forme arbitraire - une réalisation que l'équipe revendique comme une première. Nanfang Yu et ses collègues de l'Université de Columbia et de la City University of New York (CUNY) ont réalisé l'exploit en utilisant des "métasurfaces à ondes de fuite".

Bien qu'il existe de nombreux systèmes optiques différents pour contrôler la lumière, ils ont tendance à se diviser en deux types. L'une consiste à contrôler les propriétés des ondes lumineuses voyageant dans l'espace libre et peut inclure des systèmes allant de simples lentilles à des télescopes et hologrammes avancés. L'autre type implique l'utilisation de circuits photoniques, qui manipulent la lumière se propageant le long de guides d'ondes optiques avec une dimension de section transversale généralement de plusieurs centaines de nanomètres. Ces circuits sont des plates-formes idéales pour le traitement optique de l'information, ce qui en fait des éléments clés des dispositifs modernes, notamment des capteurs et des puces de communication optique.

Avec les progrès des technologies optiques allant de la réalité augmentée aux sondes pour contrôler et manipuler les neurones, il existe une motivation croissante pour intégrer ces deux catégories de systèmes de contrôle optique. Pourtant, comme l'explique Yu, les deux sont jusqu'à présent restés largement incompatibles l'un avec l'autre.

"Il y a toujours eu un défi dans 'l'interfaçage' de ces deux catégories," dit-il. "Il est fondamentalement difficile de transformer un mode de guide d'ondes minuscule et simple en une onde optique large et complexe en espace libre, ou vice versa. devenir réel."

Pour Yu et ses collègues, la solution réside dans les métasurfaces, qui sont de fines feuilles constituées de réseaux de structures de taille inférieure à la longueur d'onde. Ces métasurfaces peuvent altérer les propriétés des ondes lumineuses qui les traversent. Dans leurs recherches précédentes, ils ont montré comment les métasurfaces peuvent être utilisées pour manipuler la lumière voyageant dans l'espace libre.

Pour étendre ces capacités aux ondes lumineuses guidées, les chercheurs sont partis d'un cristal photonique (PhC) comprenant un réseau carré de trous carrés dans un film polymère. Ce PhC permet aux feuilles plates de lumière de se propager dans les deux sens sous forme d'ondes stationnaires.

"Dans l'étape suivante, nous avons introduit une perturbation de rupture de symétrie dans la dalle PhC en déformant les trous carrés du PhC en trous rectangulaires", explique Yu. "La perturbation abaisse le degré de symétrie du PhC de sorte que les modes photoniques ne sont plus confinés à la dalle et peuvent fuir dans l'espace libre, avec un taux de fuite proportionnel à l'ampleur de la perturbation."

L'équipe a découvert qu'en faisant varier la perturbation à travers la dalle - en orientant ses trous rectangulaires dans différentes directions - ils pouvaient affiner la forme du front d'onde de la lumière qui fuit. En utilisant leurs métasurfaces à ondes de fuite, l'équipe de Yu a développé une nouvelle technique pour convertir la lumière se propageant à travers un guide d'ondes en une onde se déplaçant dans l'espace libre.

La métasurface reconfigurable oriente la lumière incohérente en moins d'une picoseconde

"Ici, un mode de guide d'ondes d'entrée est d'abord étendu à un mode de guide d'ondes de dalle, qui pénètre dans une métasurface à ondes de fuite et produit l'émission de surface souhaitée", explique Adam Overvig de CUNY. "De cette manière, le mode de guide d'ondes simple initial confiné dans un guide d'ondes avec une section transversale de l'ordre d'une longueur d'onde est finalement converti en une onde lumineuse se propageant librement avec un front d'onde complexe, sur une zone d'environ 300 fois la longueur d'onde."

L'équipe a démontré comment leurs appareils pouvaient produire divers modèles d'émission. Ceux-ci comprenaient des réseaux 2D de points focaux, des fronts d'onde en tire-bouchon, des images holographiques et des faisceaux laser avec des polarisations variant dans l'espace. Si la technologie est mise à l'échelle, celles-ci pourraient un jour être appliquées à de nombreux types différents de systèmes optiques avancés. Les applications incluent les affichages optiques comme les hologrammes et les lunettes de réalité augmentée ; et des canaux de communication optique de grande capacité entre les puces informatiques.

En optique quantique, les réseaux optiques sont utilisés pour piéger les atomes et molécules ultrafroids. "Par rapport aux méthodes traditionnelles où les réseaux optiques sont produits par interférence de plusieurs faisceaux via l'optique en espace libre, nos appareils pourraient être directement intégrés dans la chambre à vide pour simplifier le système optique, rendant possible les applications d'optique quantique portables telles que les horloges atomiques", Heqing Huang de Columbia explique.

La recherche est décrite dans Nature Nanotechnology.