Novo mecanismo usa cristal fotônico para concentrar luz em um chip

Concentrar a luz em um quantity tão pequeno quanto o comprimento de onda em si é um desafio essential para inúmeras aplicações. Pesquisadores da AMolf, Tu Delft e Cornell College nos EUA demonstraram uma nova maneira de se concentrar em uma escala extremamente pequena. Seu método utiliza propriedades especiais de um cristal fotônico e trabalha para um espectro mais amplo de comprimentos de onda do que os métodos alternativos. Os pesquisadores publicado suas descobertas em Avanços científicos em 18 de abril.

A luz de foco é importante para várias aplicações tecnológicas em chips fotônicos, como comunicação quântica, sensores ópticos e lasers no chip. “Até agora, conhecíamos duas estratégias gerais para concentrar a luz: isso pode ser feito usando cavidades ópticas ou com guias de onda que comprimem a luz como um funil”, diz o líder do grupo Amolf Ewold Verhagen.

“O primeiro método usa ressonância, que limita o foco ou a concentração de luz a um comprimento de onda específico. O segundo método funciona, semelhante a uma lente tradicional, apenas em um dispositivo muito maior que o comprimento de onda da luz usada”.

Luz de bloqueio

Uma idéia teórica de pesquisadores da Universidade de Cornell, liderada por Gennady Shvets, apontou para o novo método que Ph.D. O candidato Daniel Muis e seus colegas agora demonstraram pela primeira vez. Um aspecto importante do método é a chamada topologia do sistema físico.

Muis explica: “Usamos Cristais fotônicosque são lajes de silício com um padrão common de orifícios muito pequenos, que proíbem a propagação da luz na laje de silício, em princípio. Mas, quando colocamos dois desses cristais com um padrão espelhado um ao lado do outro, um guia de ondas é criado em seus limites; A luz só pode se mover ao longo do limite. O que torna esse design especial é que a condução da luz é ‘topologicamente protegida’, o que significa que a dispersão ou reflexão da luz por imperfeições no cristal é suprimida “.

Os pesquisadores se perguntavam o que aconteceria se acabassem abruptamente um guia de ondas, com uma “parede” de materials que a luz não pode passar. “Como a luz não tem para onde ir e as reflexões são suprimidas, ela deve se acumular na frente dessa parede”, diz Muis. “A luz acaba se recuperando pelo guia de ondas, mas somente após um atraso. Isso resulta em uma amplificação native do campo de luz”.

Concentração de luz

Os grupos de Verhagen em Amolf e Kobus Kuipers em Tu Delft decidiram verificar as previsões em um experimento junto com os pesquisadores de Cornell. Os guias de onda topológicos foram feitos em um chip de silício em Amolf. Para visualizar o acúmulo previsto de luz dentro do cristal fotônico, os MUIs usaram um microscópio exclusivo no Tu Delft, que examina campos de luz através de uma agulha ultrafina acima da superfície do cristal. Este microscópio pode localizar a intensidade da luz em uma escala cerca de 1.000 vezes menor que a espessura de um cabelo humano.

“De fato, vimos uma amplificação clara do campo de luz no last do guia de ondas topológico. Curiosamente, isso só aconteceu quando a parede” encerrou o Guia de ondas foi colocado em um certo ângulo. Foi exatamente isso que nossos parceiros da Cornell haviam previsto “, diz Muis.

“Isso prova que a amplificação da luz está relacionada à supressão topológica da reflexão nas costas. A amplificação da luz está concentrada em um quantity muito pequeno, tão pequeno quanto o comprimento de onda da própria luz. Uma grande vantagem desse método é que ele é inerentemente de banda larga: funciona para vários comprimentos de onda diferentes”.

O artigo em Avanços científicoscom contribuições iguais de Muis e seu colega de Cornell Yandong Li, podem ser lidas como uma receita para pesquisas ou aplicações dessa forma de amplificação de luz em um chip. O mecanismo demonstrado também deve se aplicar a qualquer outro tipo de onda em um meio estruturado, incluindo ondas sonoras ou mesmo elétrons em cristais específicos.

Muis diz: “Para uma próxima etapa, seria interessante usar um laser pulsado para examinar o intervalo de tempo em que a luz continua a acumular, para ver quanto a amplificação do campo pode ser maximizada e usá -la para aplicações em manipulação de luz em chips ópticos”.