En av de största utmaningarna för att utveckla integrerade fotoniska kretsar - som använder ljus snarare än elektroner för att transportera information - är att styra ljusets momentum. Ljusfärger färdas med olika hastigheter genom ett material men för att ljus ska konverteras mellan färger, den måste ha samma fart eller fas.

Många enheter har utformats för att matcha eller fasmatcha ljus på olika punkter i en integrerad krets, men vad händer om fasmatchningsprocessen skulle kunna kringgås tillsammans i vissa fall?

Forskare vid Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, tillsammans med medarbetare från Fu Foundation School of Engineering and Applied Science vid Columbia University, har utvecklat ett system för att konvertera en ljusvåglängd till en annan utan att behöva fasmatchas.

Forskningen publicerades i Naturkommunikation .

"För att en våglängdskonverteringsprocess ska vara effektiv, det måste vara noggrant utformat för att fasmatcha, och det fungerar bara vid en enda våglängd, "sa Marko Loncar, Tiantsai Lin -professor i elektroteknik vid SEAS och seniorförfattare till tidningen. "De enheter som visas i detta arbete, i kontrast, behöver inte uppfylla fasmatchningskravet, och kan omvandla ljus i ett brett färgintervall. "

Omvandlaren förlitar sig på en metasyta, bestående av en rad kisel -nanostrukturer, integrerad i en litiumniobatvågledare. Ljuset passerar genom vågledare, interagerar med nanostrukturerna längs vägen. Utbudet av nanostrukturer fungerar som en TV -antenn - tar emot den optiska signalen, manipulera dess fart och sända ut den igen i vågledaren.

"Till skillnad från de flesta metasytor, där ljuset rör sig vinkelrätt mot metan, här interagerar ljus med metasytan samtidigt som det är begränsat inuti en vågledare, "sa Cheng Wang, medförfattare till tidningen och postdoktor vid SEAS. "På det här sättet, vi utnyttjar både momentumkontrollen från metasytan och ett långt interaktionsavstånd. "

Forskarna visade att de kunde fördubbla frekvensen av en våglängd, konvertera nära infraröda färger till rött, med hög effektivitet över en bred bandbredd. I tidigare forskning har laget visade att de också kunde styra och konvertera polariseringen och läget för en guidad våg med en liknande struktur.

"Den integrerade metasytan skiljer sig från andra fasmatchningsmekanismer genom att den ger ett enriktat optiskt momentum för att koppla ihop optisk energi från en till en annan färgkomponent-samtidigt som den inversa processen hämmas-vilket är avgörande för att realisera icke-linjär omvandling av bredband, "sa Nanfang Yu, biträdande professor i tillämpad fysik vid Columbia och en medförfattare till tidningen. "Framtida arbete kommer att visa bredbandsintegrerade fotoniska enheter baserade på metasytor för att förverkliga andra funktioner som optisk modulering."