En ny teknik som kan möjliggöra bättre ljuskontroll utan att kräva stora, svårintegrerade material och strukturer har utvecklats av forskare från Penn State. Det nya fotoniska integrerade chippet kan möjliggöra många framsteg inom det optiska området och industrin, allt från förbättringar av virtuell verklighetsglasögon till optisk fjärranalys, enligt forskarna.

Leds av Xingjie Ni, biträdande professor i elektroteknik, forskningen publicerades nyligen i Vetenskapens framsteg . Penn State elteknik doktorand Xuexue Guo, Yimin Ding, Xi Chen och Yao Duan var medförfattare på tidningen.

Traditionellt, forskare har haft två alternativ när det gäller att styra ljus för användning i olika optiska enheter. Den första är en fotonisk integrerad krets (PIC) som kan inkorporeras på små chips men har begränsad förmåga att kontrollera fritt utrymme ljus – ljus som fortplantar sig i luft, yttre rymden eller ett vakuum, i motsats till att styras i fibrer eller andra vågledare. Det andra är en nyligen framväxande metayta – ett artificiellt konstruerat tunt skikt som möjliggör ljusmanipulation på subvåglängdsskala men som inte kan integreras på ett chip.

Ni och hans forskarkollegor löste detta problem genom att införliva de bästa egenskaperna hos de två tidigare alternativen i en ny, hybrid fotonisk arkitektur som har metasytor integrerade på ett PIC-chip samtidigt som hög ljusstyrbarhet bibehålls.

"Denna inkorporering av PIC:erna och metasytorna gör det möjligt att driva metasytorna med hjälp av guidade vågor inuti PIC:erna, ", sa Ni. "Det gör det möjligt att dirigera ljus mellan olika metasytor, utföra flera komplexa funktioner på ett enda chip."

Denna nya utveckling kan ha tillämpningar inom optisk kommunikation, optisk fjärranalys – LiDAR – optiska sammankopplingar för fritt utrymme för datacenter och virtuell verklighet och förstärkta verklighetsskärmar.

"Den utvecklade tekniken kommer att bana spännande vägar för att bygga multifunktionella PIC-enheter med flexibel tillgång till ledigt utrymme samt guidade, vågdrivna metasytor med full integration på chipet, " sa Ni.

Enligt Ni, de mest spännande aspekterna av hans forskning är konsekvenserna för framtida utveckling och framgången att kombinera de bästa egenskaperna hos befintlig teknik.

"Jag tycker att den mest spännande delen av forskningen är att vi gifte oss med två kraftfulla teknologier med kompletterande möjligheter - integrerad fotonik och metasytor, " sade han. "Vårt hybridsystem har fördelarna från både metasytorna och PIC:erna. Dessutom, vår design är mycket flexibel och modulär. Ett bibliotek med byggstenarna kan upprättas för att återanvända och skapa konsekventa funktionella komponenter över olika enheter eller system."