多機能インターフェースにより自由空間での光波の操作が可能

2023 年 5 月 23 日

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アーティスト: SPIE

最近の技術の進歩により、光波を操作および制御する驚くべき能力が私たちに与えられ、光通信、センシング、イメージング、エネルギー、量子コンピューティングなどのさまざまな分野で数多くの応用が開かれています。 この進歩の中心となるのは、光集積回路 (PIC) の形でチップレベルで、またはメタオプティクスとして自由空間で、光波を制御できるフォトニック構造です。

これらの構造を組み合わせることで、コンパクトな光学系を構築できます。 PIC を使用すると、位相や強度を操作して目的の出力を達成するなど、光波に微妙な変更を加えることができ、その後メタ光学によって自由空間に誘導することができます。 このような組み合わせシステムは、量子コンピューティングや電力光検出用の量子ビットを制御できるほか、自律走行車のナビゲーションやマッピングに使用される測距システムなども制御できます。

PIC はナノメートルスケールの導波路を使用して光を閉じ込め、方向付けるため、光ファイバーなどの大型デバイスとの間で光を結合するのは困難です。 回折格子カプラは、PIC の導波路に出入りする光を回折できる格子構造のため、この目的に一般的に使用されます。 ただし、これらのデバイスは光波をある程度までしか整形できないため、適用性が制限されます。

この欠点を考慮して、任意の形状の光波面を操作できるメタオプティクスが、PIC からの光を結合するために提案されています。 このアプローチは有望ですが、PIC と自由空間の間の多機能結合はまだ報告されていません。

今回、Advanced Photonics Nexusに掲載された研究で、ワシントン大学の研究者らは、別個のメタオプティクスチップの下に回折格子を備えたフォトニック集積回路で構成されるチップスケールのハイブリッドPIC/メタオプティカルプラットフォームを実証した。 PIC は、2 次元アレイに配置された 16 個の同一の回折格子で構成されており、それぞれの回折格子の開口サイズは 300 マイクロメートルで、回折格子カプラで光ファイバに結合されています。 これらの回折格子は導波路として機能し、ファイバーからの光をメタオプティクスチップに導き、そこで光を整形して入力光と平行に自由空間に出力します。

「一連の低損失メタオプティクスを使用して、私たちはフォトニック集積回路と自由空間との間の柔軟で交換可能なインターフェイスを開発しました」と、主著者であるシアトルのワシントン大学のアルカ・マジュムダール准教授は述べています。

このプラットフォームを使用して、研究者らは同時に 14 個の PIC 格子に光を通過させ、メタレンズ、渦ビーム発生器、拡張焦点深度レンズ、ホログラムなどの 14 個の異なるメタ光学を使用して対応するビームを成形することができました。

「メタ光学には、光の波面を整形して自由空間光学と集積フォトニクスの間に多機能インターフェースを作成する機能があります。この研究はそれを利用しています。PICから出てくる光ビームはすべて同一ですが、異なるメタ光学を配置することにより、各格子の上で、ビームを個別に同時に操作することができました」とマジュムダル氏は説明します。

研究者らは、さまざまなメタオプティクスを用いた実験で、入力光に関する事前知識や 2 つのチップ間の正確な位置合わせの必要性がなくても、デバイスが高い精度と信頼性で動作することを発見しました。 具体的には、3 マイクロメートルの回折限界スポットと、10 デシベルを超えるピーク信号対雑音比のホログラフィック画像を達成しました。