泄漏波超表面：自由空间和集成光学系统之间的完美接口

哥伦比亚工程学院的研究人员开发了一类新的集成光子器件 - “泄漏波超表面” - 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。这些器件首次展示了对所有四个光学自由度(即振幅、相位、偏振椭圆度和偏振方向)同时控制的设备，创下了世界纪录。

由于这些器件非常薄、透明且与光子集成电路 (PIC) 兼容，因此可用于改进光学显示器、LIDAR(光检测和测距)、光通信和量子光学。

“我们很高兴找到一种连接自由空间光学和集成光子学的优雅解决方案 - 这两个平台传统上由来自不同光学子领域的研究人员进行研究，并导致商业产品满足完全不同的需求，”应用物理学和应用数学副教授Nanfang Yu说，他是纳米光子器件研究的领导者。

“我们的工作指出了创建混合系统的新方法，这些系统利用两全其美 - 用于塑造光波前的自由空间光学和用于光学数据处理的集成光子学 - 以满足许多新兴应用，如量子光学，光遗传学，传感器网络，芯片间通信和全息显示器。

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关键挑战是将限制在波导内的简单波导模式(芯片上定义的细脊)转换为具有复杂波前的宽自由空间波，反之亦然。Yu的团队通过去年秋天发明的“非局部超表面”来应对这一挑战，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度将输入波导模式扩展到平板波导模式 - 沿芯片传播的光片。“我们意识到平板波导模式可以分解为两个正交的驻波 - 让人想起拨弦产生的波，”Yu实验室的博士生，该研究的共同第一作者Heqing Huang说。

“因此，我们设计了一个由两组矩形孔径组成的'漏波超表面'，这些孔径彼此具有亚波长偏移，以独立控制这两个驻波。结果是每个驻波被转换为具有独立振幅和极化的表面发射;两个表面发射分量一起合并成一个单一的自由空间波，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的团队通过实验证明了多个泄漏波超表面，可以将沿横截面为一个波长量级的波导传播的波导模式转换为自由空间发射，其设计波前在大约300倍的区域内电信波长为1.55微米。其中包括：

一种泄漏波超透镜，可在自由空间中产生焦点。这种器件将是PIC芯片之间形成低损耗、高容量自由空间光链路的理想选择;它还可用于集成的光遗传学探针，该探针产生聚焦光束以光学刺激远离探针的神经元。

泄漏波光晶格发生器，可以在自由空间中产生数百个焦点，形成可果美晶格图案。一般来说，泄漏波超表面可以产生复杂的非周期性和三维光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不容易实现的量子模拟，并使他们能够大幅降低基于原子阵列的量子设备的复杂性、体积和成本。例如，泄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。

一种泄漏波涡旋光束发生器，可产生具有开瓶器形波前的光束。这可能导致建筑物之间的自由空间光链路，该链路依赖于PIC来处理光携带的信息，同时还使用具有形状波前的光波进行高容量互通。

一种泄漏波全息图，可以同时置换四个不同的图像：两个在设备平面(在两个正交偏振状态)，另外两个在自由空间中的一定距离(也在两个正交偏振状态)。此功能可用于制作更轻、更舒适的增强现实护目镜和更逼真的全息 3D 显示器。

Yu目前的演示是基于近红外波长的简单聚合物氮化硅材料平台。他的团队计划接下来展示基于更强大的氮化硅平台的设备，该平台与铸造制造协议兼容，并可耐受高光功率操作。他们还计划展示高输出效率和可见光波长操作的设计，这更适合量子光学和全息显示器等应用。