La interfaz multifuncional permite la manipulación de ondas de luz en el espacio libre.

23 de mayo de 2023

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Los avances tecnológicos recientes nos han brindado una capacidad notable para manipular y controlar ondas de luz, lo que ha abierto numerosas aplicaciones en diversos campos, como la comunicación óptica, la detección, la obtención de imágenes, la energía y la computación cuántica. En el centro de este progreso se encuentran las estructuras fotónicas que pueden controlar las ondas de luz, ya sea a nivel de chip en forma de circuitos fotónicos integrados (PIC) o en el espacio libre como metaóptica.

La combinación de estas estructuras permite la creación de sistemas ópticos compactos. Los PIC se pueden utilizar para realizar cambios sutiles en la onda de luz, como la manipulación de su fase e intensidad para lograr la salida deseada, que luego puede guiarse en el espacio libre mediante metaóptica. Estos sistemas combinados pueden controlar qubits para computación cuántica y detección de luz eléctrica, así como sistemas de alcance como los que se utilizan para la navegación y el mapeo de vehículos autónomos.

Dado que los PIC utilizan guías de ondas a escala nanométrica para confinar y dirigir la luz, acoplar su luz hacia y desde dispositivos más grandes, como las fibras ópticas, es complicado. Los acopladores de rejilla se utilizan comúnmente para este propósito debido a su estructura de rejilla que puede difractar la luz que entra o sale de las guías de ondas del PIC. Sin embargo, estos dispositivos sólo pueden dar forma a la onda de luz hasta cierto punto, lo que limita su aplicabilidad.

En vista de esta deficiencia, se ha sugerido que la metaóptica capaz de manipular frentes de ondas ópticas con formas arbitrarias acople la luz de los PIC. Aunque este enfoque es prometedor, todavía no se ha informado de ningún acoplamiento multifuncional entre PIC y espacio libre.

Ahora, en un estudio publicado en Advanced Photonics Nexus, investigadores de la Universidad de Washington han demostrado una plataforma PIC/metaóptica híbrida a escala de chip que consiste en un circuito integrado fotónico con rejillas debajo de un chip metaóptico separado. El PIC consta de 16 rejillas idénticas dispuestas en una matriz bidimensional, cada una con un tamaño de apertura de 300 micrómetros y acopladas a una fibra óptica con un acoplador de rejilla. Estas rejillas sirven como guías de ondas y dirigen la luz desde la fibra al chip metaóptico que da forma y emite luz al espacio libre, paralela a la luz de entrada.

"Utilizando una serie de metaópticas de baja pérdida, hemos desarrollado una interfaz flexible e intercambiable entre un circuito integrado fotónico y el espacio libre", dice el autor principal, profesor asociado Arka Majumdar de la Universidad de Washington en Seattle.

Utilizando esta plataforma, los investigadores pudieron hacer pasar luz simultáneamente a través de 14 rejillas PIC y luego dar forma al haz correspondiente con 14 metaópticas diferentes, como metalentes, generadores de haz de vórtice, lentes de profundidad de enfoque extendida y hologramas.

"La metaóptica tiene la capacidad de dar forma a frentes de ondas ópticas para crear una interfaz multifuncional entre la óptica del espacio libre y la fotónica integrada. Este estudio aprovecha eso. Todos los haces de luz que salen del PIC son idénticos, pero al colocar diferentes metaópticas encima de cada rejilla pudimos manipular simultáneamente las vigas individualmente", explica Majumdar.

En sus experimentos con diferentes metaópticas, los investigadores descubrieron que el dispositivo funcionaba con gran precisión y fiabilidad, incluso sin conocimiento previo de la luz de entrada o de la necesidad de una alineación precisa entre los dos chips. En concreto, lograron un punto de difracción limitada de tres micrómetros y una imagen holográfica con una relación señal-ruido máxima superior a 10 decibeles.

La característica notable del dispositivo propuesto es su capacidad de cambiar su funcionalidad simplemente reemplazando la metaóptica vinculada al PIC. Esto permite una amplia gama de posibilidades para controlar y modificar haces de luz con un alto grado de tolerancia a errores. Las aplicaciones potenciales de esta interfaz son múltiples e incluyen dirección de haz, generación de luz estructurada, captura óptica y manipulación de qubits de átomos fríos.

Más información: Quentin AA Tanguy et al, Interfaz multifuncional entre fotónica integrada y espacio libre, Advanced Photonics Nexus (2023). DOI: 10.1117/1.APN.2.3.036012

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