p Uma equipe de pesquisadores da Columbia Engineering, liderado pelo professor assistente de física aplicada Nanfang Yu, inventou um método para controlar a propagação da luz em vias confinadas, ou guias de ondas, com alta eficiência usando nanoantenas. Para demonstrar esta técnica, eles construíram dispositivos fotônicos integrados que não apenas tinham pegadas recorde, mas também eram capazes de manter o desempenho ideal em uma ampla faixa de comprimento de onda sem precedentes. p Os circuitos integrados fotônicos (ICs) são baseados na propagação de luz em guias de ondas ópticas, e controlar essa propagação de luz é uma questão central na construção desses chips, que usam luz em vez de elétrons para transportar dados. O método de Yu pode levar a mais rápido, mais poderoso, e chips ópticos mais eficientes, que, por sua vez, poderia transformar as comunicações ópticas e o processamento de sinais ópticos. O estudo é publicado online em Nature Nanotechnology 17 de abril.

p "Nós construímos dispositivos nanofotônicos integrados com o menor espaço e a maior largura de banda operacional de todos os tempos, "Yu diz." O grau em que agora podemos reduzir o tamanho dos dispositivos fotônicos integrados com a ajuda de nanoantenas é semelhante ao que aconteceu na década de 1950, quando grandes tubos de vácuo foram substituídos por transistores semicondutores muito menores. Este trabalho fornece uma solução revolucionária para um problema científico fundamental:Como controlar a propagação da luz em guias de onda da maneira mais eficiente? "

p O poder óptico das ondas de luz que se propagam ao longo dos guias de ondas está confinado no núcleo do guia de ondas:os pesquisadores só podem acessar as ondas guiadas por meio de pequenas "caudas" evanescentes que existem perto da superfície do guia de ondas. Essas ondas guiadas evasivas são particularmente difíceis de manipular e, portanto, os dispositivos fotônicos integrados costumam ser grandes em tamanho, ocupando espaço e, assim, limitando a densidade de integração do dispositivo de um chip. A redução de dispositivos fotônicos integrados representa o principal desafio que os pesquisadores pretendem superar, espelhando a progressão histórica da eletrônica que segue a lei de Moore, que o número de transistores em CIs eletrônicos dobra aproximadamente a cada dois anos.

p A equipe de Yu descobriu que a maneira mais eficiente de controlar a luz em guias de ondas é "decorar" os guias de ondas com nanoantenas ópticas:essas antenas em miniatura puxam a luz de dentro do núcleo do guia de ondas, modificar as propriedades da luz, e libere a luz de volta para os guias de onda. O efeito cumulativo de uma matriz densamente compactada de nanoantenas é tão forte que elas poderiam realizar funções como a conversão do modo de guia de onda em uma distância de propagação não superior a duas vezes o comprimento de onda.

p "Este é um avanço, considerando que as abordagens convencionais para realizar a conversão do modo de guia de onda requerem dispositivos com um comprimento que é dezenas de centenas de vezes o comprimento de onda, "Yu diz." Conseguimos reduzir o tamanho do dispositivo por um fator de 10 a 100. "

p As equipes de Yu criaram conversores de modo de guia de onda que podem converter um certo modo de guia de onda em outro modo de guia de onda; esses são os principais capacitadores de uma tecnologia chamada "multiplexação por divisão de modo" (MDM). Um guia de onda óptico pode suportar um modo de guia de onda fundamental e um conjunto de modos de ordem superior, da mesma forma que uma corda de violão pode suportar um tom fundamental e seus harmônicos. MDM é uma estratégia para aumentar substancialmente o poder de processamento de informações de um chip óptico:pode-se usar a mesma cor de luz, mas vários modos de guia de ondas diferentes para transportar vários canais independentes de informação simultaneamente, tudo através do mesmo guia de ondas. "Este efeito é como, por exemplo, a ponte George Washington magicamente tendo a capacidade de lidar com um volume de tráfego algumas vezes maior, "Yu explica." Nossos conversores de modo de guia de onda podem permitir a criação de caminhos de informação muito mais capacitivos. "

p Ele planeja incorporar materiais ópticos ativamente sintonizáveis ​​nos dispositivos fotônicos integrados para permitir o controle ativo da propagação da luz em guias de onda. Esses dispositivos ativos serão os blocos básicos de construção de óculos de realidade aumentada (AR) - óculos que primeiro determinam as aberrações oculares do usuário e, em seguida, projetam imagens corrigidas de aberração nos olhos - que ele e seus colegas de engenharia da Columbia, Professores Michal Lipson, Alex Gaeta, Demetri Basov, Jim Hone, e Harish Krishnaswamy estão trabalhando agora. Yu também está explorando a conversão de ondas que se propagam em guias de ondas em ondas de superfície fortes, que poderia eventualmente ser usado para detecção química e biológica no chip.

p O estudo é intitulado, "Controlando a propagação e o acoplamento de modos de guia de ondas usando metassuperfícies de gradiente de fase."