Ett team av Columbia Engineering -forskare, ledd av tillämpad fysik biträdande professor Nanfang Yu, har uppfunnit en metod för att kontrollera ljusets spridning i trånga vägar, eller vågledare, med hög effektivitet genom att använda nano-antenner. För att demonstrera denna teknik, de byggde fotoniska integrerade enheter som inte bara hade rekordlåga fotavtryck utan också kunde bibehålla optimal prestanda över ett aldrig tidigare skådat brett våglängdsområde.

Fotoniska integrerade kretsar (IC:er) är baserade på ljusförökning i optiska vågledare, och att kontrollera sådan ljusutbredning är en central fråga för att bygga dessa marker, som använder ljus istället för elektroner för att transportera data. Yus metod kan leda till snabbare, kraftfullare, och mer effektiva optiska chips, som i sin tur skulle kunna omvandla optisk kommunikation och optisk signalbehandling. Studien publiceras online i Naturnanoteknik 17 april.

"Vi har byggt integrerade nanofotoniska enheter med det minsta fotavtrycket och största operativa bandbredden någonsin, "Säger Yu." I vilken grad vi nu kan minska storleken på fotoniska integrerade enheter med hjälp av nano-antenner liknar det som hände på 1950-talet när stora vakuumrör ersattes av mycket mindre halvledartransistorer. Detta arbete ger en revolutionerande lösning på ett grundläggande vetenskapligt problem:Hur kontrollerar man ljus som sprider sig i vågledare på det mest effektiva sättet? "

Den optiska kraften hos ljusvågor som sprider sig längs vågledare är begränsad inom vågledarens kärna:forskare kan bara komma åt de guidade vågorna via de små svängande "svansarna" som finns nära vågledarens yta. Dessa svårfångade guidade vågor är särskilt svåra att manipulera och därför är fotoniska integrerade enheter ofta stora, tar upp plats och begränsar därmed enhetens integreringstäthet för ett chip. Krympande fotoniska integrerade enheter representerar en primär utmaning som forskare syftar till att övervinna, speglar den historiska utvecklingen av elektronik som följer Moores lag, att antalet transistorer i elektroniska IC:er fördubblas ungefär vartannat år.

Yus team fann att det mest effektiva sättet att styra ljus i vågledare är att "dekorera" vågledarna med optiska nano-antenner:dessa miniatyrantenner drar ljus inifrån vågledarkärnan, ändra ljusets egenskaper, och släpp ljus tillbaka i vågledarna. Den ackumulativa effekten av en tätt packad uppsättning nano-antenner är så stark att de kan uppnå funktioner som vågledarmodskonvertering inom ett förökningsavstånd som inte är mer än dubbelt våglängden.

"Detta är ett genombrott med tanke på att konventionella metoder för att realisera vågledarläge -omvandling kräver enheter med en längd som är tiotals hundratals gånger våglängden, "Säger Yu." Vi har kunnat minska enhetens storlek med en faktor 10 till 100. "

Yus lag skapade vågledarlägesomvandlare som kan konvertera ett visst vågledarläge till ett annat vågledarläge; dessa är viktiga möjliggörare för en teknik som kallas "mode-division multiplexing" (MDM). En optisk vågledare kan stödja ett grundläggande vågledarläge och en uppsättning högre ordningslägen, på samma sätt som en gitarrsträng kan stödja en grundton och dess övertoner. MDM är en strategi för att väsentligt öka ett optiskt chips informationsbehandlingskraft:man kan använda samma ljusfärg men flera olika vågledarlägen för att transportera flera oberoende informationskanaler samtidigt, alla genom samma vågledare. "Denna effekt är som, till exempel, George Washington Bridge magiskt har förmågan att hantera några gånger mer trafikvolym, "Förklarar Yu." Våra vågledarlägesomvandlare kan möjliggöra skapandet av mycket mer kapacitiva informationsvägar. "

Han planerar nästa att införliva aktivt avstämbara optiska material i de fotoniska integrerade enheterna för att möjliggöra aktiv kontroll av ljus som sprider sig i vågledare. Sådana aktiva enheter kommer att vara de grundläggande byggstenarna i augmented reality (AR) -glasögon-glasögon som först bestämmer ögats avvikelser hos bäraren och sedan projicerar aberrationskorrigerade bilder i ögonen-som han och hans kollegor från Columbia Engineering, Professorer Michal Lipson, Alex Gaeta, Demetri Basov, Jim Hone, och Harish Krishnaswamy arbetar på nu. Yu utforskar också konverterande vågor som förökar sig i vågledare till starka ytvågor, som så småningom kan användas för kemisk och biologisk avkänning på chip.

Studien har titeln, "Kontrollera förökning och koppling av Waveguide-lägen med hjälp av fasgradientmetasytor."