Imagem de um dispositivo fabricado mostrando quatro arranjos de antenas em fase consistindo em nano-hastes de silício de diferentes comprimentos padronizadas na superfície superior de um guia de ondas LiNbO3. Crédito:Loncar Lab / Harvard SEAS
Um dos maiores desafios no desenvolvimento de circuitos fotônicos integrados - que usam luz em vez de elétrons para transportar informações - é controlar o momento da luz. As cores da luz viajam em velocidades diferentes através de um material, mas para que a luz seja convertida entre as cores, ele precisa ter o mesmo momento ou fase.
Muitos dispositivos foram projetados para combinar o momento ou combinar a luz em vários pontos em um circuito integrado, mas e se o processo de combinação de fases pudesse ser contornado completamente em certos casos?
Pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson, junto com colaboradores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Fundação Fu da Universidade de Columbia, desenvolveram um sistema para converter um comprimento de onda de luz em outro sem a necessidade de correspondência de fase.
A pesquisa foi publicada em Nature Communications .
"Para que qualquer processo de conversão de comprimento de onda seja eficiente, deve ser cuidadosamente projetado para combinar a fase, e só funciona em um único comprimento de onda, "disse Marko Loncar, o Tiantsai Lin Professor de Engenharia Elétrica na SEAS e autor sênior do artigo. “Os dispositivos mostrados neste trabalho, em contraste, não precisa satisfazer o requisito de correspondência de fase, e pode converter luz em uma ampla gama de cores. "
O conversor depende de uma metassuperfície, consistindo em uma matriz de nanoestruturas de silício, integrado em um guia de ondas de niobato de lítio. A luz passa pelo guia de ondas, interagindo com as nanoestruturas ao longo do caminho. A matriz de nanoestruturas age como uma antena de TV - recebendo o sinal óptico, manipulando seu momento e reemitindo-o de volta para o guia de ondas.
Imagem do microscópio eletrônico de varredura (MEV) do dispositivo fabricado. Crédito:Loncar Lab / Harvard SEAS
"Ao contrário da maioria das metasuperfícies, onde a luz viaja perpendicularmente à metassuperfície, aqui, a luz interage com a metassuperfície enquanto é confinada dentro de um guia de ondas, "disse Cheng Wang, co-primeiro autor do artigo e pós-doutorado no SEAS. "Desta maneira, aproveitamos o controle de momentum da metassuperfície e uma longa distância de interação. "
Os pesquisadores demonstraram que podem dobrar a frequência de um comprimento de onda, convertendo cores próximas do infravermelho em vermelho, com alta eficiência em uma ampla largura de banda. Em pesquisas anteriores, a equipe demonstrou que eles também podiam controlar e converter a polarização e o modo de uma onda guiada usando uma estrutura semelhante.
"A metassuperfície integrada é diferente de outros mecanismos de combinação de fase, pois fornece um momento óptico unidirecional para acoplar a energia óptica de um componente de cor a outro - enquanto inibe o processo inverso - que é crítico para realizar a conversão não linear de banda larga, "disse Nanfang Yu, professor assistente de física aplicada na Universidade de Columbia e co-autor sênior do artigo. "Trabalhos futuros demonstrarão dispositivos fotônicos integrados de banda larga baseados em metassuperfícies para realizar outras funções, como a modulação óptica."