新型集成纳米光子器件——同时控制所有四个光学自由度的世界纪录——可以将最初限制在光波导中的光转换为自由空间中的任意光学图案。
左图：显示漏波超表面操作的示意图。右图：由漏波超表面产生的形成戈姆图案的光学斑点的2D阵列。
哥伦比亚工程公司的研究人员开发出一类新型集成光子器件“漏波超表面”，可以将最初限制在光波导中的光免费转换为任意光学图案空间。这些设备首次展示了同时控制所有四个光学自由度，即振幅、相位、偏振椭圆率和偏振方向，这是一项世界纪录。由于这些设备非常薄、透明并且与光子集成电路（PIC）兼容，因此它们可用于改进光学显示器、LIDAR（光探测和测距）、光通信和量子光学。
纳米光子器件研究的领军人物，应用物理学和应用数学副教授Nanfang Yu说：“我们很高兴找到一种优雅的解决方案来连接自由空间光学和集成光子学，这两个平台传统上由来自不同光学子领域的研究人员研究，并产生了满足完全不同需求的商业产品。我们的工作指出了创建混合系统的新方法，该混合系统利用两个世界的优点，自由空间光学来塑造光的波前和集成光子学来进行光学数据处理，以解决许多新兴应用，如量子光学、光遗传学、传感器网络、芯片间通信和全息显示。”
左：生成戈薇晶格的两个漏波元表面。右：漏波超表面SEM图像，由蚀刻到氮化硅薄膜顶部聚合物层纳米孔径组成
桥接自由空间光学和集成光子学
连接PIC和自由空间光学器件的主要挑战是将限制在波导内的简单波导模式（ 芯片上定义的薄脊）转换为具有复杂波前的宽自由空间波，反之亦然。Yu教授的团队在他们去年秋天发明的“非局部超表面”的基础上解决了这一挑战，并将设备的功能从控制自由空间光波扩展到控制导波。
具体来说，他们通过使用波导锥形将输入波导模式扩展为平板波导模式，沿着芯片传播的一片光。
Yu教授实验室的博士生、该研究的共同第一作者Heqing Huang 说：“我们意识到平板波导模式可以分解成两个正交驻波，让人想起拨弦产生的波。因此，我们设计了一个‘漏波超曲面’，由两组矩形孔径组成，这些矩形孔径彼此有亚波长偏移，以独立控制这两个驻波。结果是每个驻波都转换为具有独立振幅和偏振的表面发射；两个表面发射分量一起合并成一个自由空间波，在其波前的每个点上具有完全可控的振幅、相位和偏振。”
从量子光学到光通信再到全息3D显示器
Yu教授的团队通过实验证明了多个漏波超表面，这些超表面可以将沿横截面为一个波长的波导传播的波导模式转换为自由空间发射，设计的波前面积约为电信波长的300倍波长为1.55微米。这些包括：
在自由空间中产生焦点的漏波超透镜。这种器件非常适合在PIC芯片之间形成低损耗、高容量的自由空间光链路。它还可用于集成光遗传学探针，该探针可产生聚焦光束，以光学方式刺激远离探针的神经元。
一种漏波光晶格发生器，可以产生数百个焦点，在自由空间中形成Kagome晶格图案。一般来说，漏波超表面可以产生复杂的非周期性和三维光学晶格来捕获冷原子和分子。这种能力将使研究人员能够研究奇异的量子光学现象或进行迄今为止其他平台无法轻易实现的量子模拟，并使他们能够大大降低基于原子阵列的量子设备的复杂性、体积和成本。例如，漏波超表面可以直接集成到真空室中以简化光学系统，从而使便携式量子光学应用（例如原子钟）成为可能。
一种漏波涡旋光束发生器，可产生具有开瓶器形波前的光束。这可能会导致建筑物之间的自由空间光链路依赖于PIC来处理光携带的信息，同时还使用具有整形波前的光波进行高容量相互通信。
一种漏波全息图，可以同时置换四个不同的图像：两个位于器件平面（处于两个正交偏振态），另外两个位于自由空间中的一定距离（也处于两个正交偏振态）。该功能可用于制造更轻、更舒适的增强现实护目镜和更逼真的全息 3D 显示器。
左两图：漏波元表面在距离设备表面两个不同距离处产生的两幅全息图像。右图四：单个漏波元表面在距离器件表面两个不同距离和两个正交偏振态下产生的四个不同的全息图像。
器件制造
器件制造是在哥伦比亚纳米倡议洁净室和纽约城市大学研究生中心的高级科学研究中心纳米制造设施进行的。
下一步
Yu教授目前的演示基于一个简单的近红外波长聚合物-氮化硅材料平台。他的团队下一步计划展示基于更稳健的氮化硅平台的设备，该平台与代工制造协议兼容并能承受高光功率操作。他们还计划展示高输出效率和在可见波长下运行的设计，这更适合量子光学和全息显示器等应用。
这项研究于5月8日发表在《自然纳米技术》期刊上。
