L'interface multifonctionnelle permet la manipulation des ondes lumineuses dans l'espace libre

23 mai 2023

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par SPIE

Les progrès technologiques récents nous ont donné une capacité remarquable à manipuler et à contrôler les ondes lumineuses, ouvrant ainsi la voie à de nombreuses applications dans divers domaines, tels que la communication optique, la détection, l’imagerie, l’énergie et l’informatique quantique. Au cœur de ces progrès se trouvent les structures photoniques capables de contrôler les ondes lumineuses, soit au niveau des puces sous forme de circuits intégrés photoniques (PIC), soit dans l'espace libre comme la méta-optique.

La combinaison de ces structures permet la création de systèmes optiques compacts. Les PIC peuvent être utilisés pour apporter des modifications subtiles à l'onde lumineuse, telles que la manipulation de sa phase et de son intensité pour obtenir une sortie souhaitée, qui peut ensuite être guidée dans l'espace libre par la méta-optique. De tels systèmes combinés peuvent contrôler les qubits pour l’informatique quantique et la détection de lumière électrique, ainsi que des systèmes de télémétrie comme ceux utilisés pour la navigation et la cartographie des véhicules autonomes.

Étant donné que les PIC utilisent des guides d’ondes à l’échelle nanométrique pour confiner et diriger la lumière, il est délicat de coupler leur lumière vers et depuis des dispositifs plus grands, tels que des fibres optiques. Les coupleurs à réseau sont couramment utilisés à cette fin en raison de leur structure de réseau qui peut diffracter la lumière entrant ou sortant des guides d'ondes du PIC. Cependant, ces dispositifs ne peuvent façonner l’onde lumineuse que dans une certaine mesure, ce qui limite leur applicabilité.

Compte tenu de cette lacune, des méta-optiques capables de manipuler des fronts d’onde optiques de formes arbitraires ont été suggérées pour coupler la lumière des PIC. Bien que cette approche soit prometteuse, aucun couplage multifonctionnel entre PIC et espace libre n’a encore été rapporté.

Aujourd'hui, dans une étude publiée dans Advanced Photonics Nexus, des chercheurs de l'Université de Washington ont démontré une plate-forme hybride PIC/méta-optique à l'échelle d'une puce, composée d'un circuit intégré photonique avec des réseaux sous une puce méta-optique distincte. Le PIC comprend 16 réseaux identiques disposés dans un réseau bidimensionnel, chacun avec une taille d'ouverture de 300 micromètres et couplés à une fibre optique avec un coupleur de réseau. Ces réseaux servent de guides d'ondes et dirigent la lumière de la fibre vers la puce méta-optique qui façonne et émet la lumière dans un espace libre, parallèlement à la lumière d'entrée.

"En utilisant une gamme de méta-optiques à faibles pertes, nous avons développé une interface flexible et interchangeable entre un circuit intégré photonique et l'espace libre", explique le professeur agrégé Arka Majumdar, auteur principal, de l'Université de Washington à Seattle.

Grâce à cette plate-forme, les chercheurs ont pu faire passer simultanément la lumière à travers 14 réseaux PIC, puis façonner le faisceau correspondant avec 14 méta-optiques différentes, telles que des méta-lentilles, des générateurs de faisceaux vortex, des lentilles à profondeur de focalisation étendue et des hologrammes.

"La méta-optique a la capacité de façonner les fronts d'onde optiques pour créer une interface multifonctionnelle entre l'optique en espace libre et la photonique intégrée. Cette étude exploite cela. Tous les faisceaux lumineux qui sortent du PIC sont identiques, mais en plaçant des méta-optiques différentes au-dessus de chaque grille, nous avons pu manipuler simultanément les poutres individuellement", explique Majumdar.

Dans leurs expériences avec différentes méta-optiques, les chercheurs ont découvert que le dispositif fonctionnait avec une grande précision et fiabilité, même sans connaissance préalable de la lumière d'entrée ou sans nécessité d'un alignement précis entre les deux puces. Plus précisément, ils ont obtenu un point de diffraction limité à trois micromètres et une image holographique avec un rapport signal/bruit maximal supérieur à 10 décibels.