Modulator elektro-optik berkecepatan tinggi, efisien, dan ringkas

Modulator elektro-optik, yang mengontrol aspek cahaya sebagai respons terhadap sinyal listrik, sangat penting untuk segala hal mulai dari penginderaan hingga metrologi dan telekomunikasi. Saat ini, sebagian besar penelitian tentang modulator ini difokuskan pada aplikasi yang berlangsung pada chip atau dalam sistem serat optik. Tapi bagaimana dengan aplikasi optik di luar kabel dan di luar chip, seperti penginderaan jarak di kendaraan?

Teknologi saat ini untuk memodulasi cahaya di ruang bebas berukuran besar, lambat, statis, atau tidak efisien. Sekarang, para peneliti di Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), bekerja sama dengan para peneliti di departemen Kimia di University of Washington, telah mengembangkan modulator elektro-optik yang ringkas dan dapat disetel untuk aplikasi ruang bebas yang dapat memodulasi cahaya dengan kecepatan gigahertz.

“Pekerjaan kami adalah langkah pertama menuju kelas modulator elektro-optik ruang bebas yang menyediakan modulasi intensitas kompak dan efisien pada kecepatan gigahertz berkas ruang bebas pada panjang gelombang telekomunikasi,” kata Federico Capasso, Profesor Fisika Terapan Robert L. Wallace dan Vinton Hayes Senior Research Fellow di Teknik Elektro, penulis senior makalah ini.

Penelitian ini dipublikasikan di Komunikasi Alam.

Metasurfaces yang datar dan kompak adalah platform yang ideal untuk mengontrol cahaya di ruang bebas, tetapi sebagian besar bersifat statis, artinya tidak dapat dinyalakan dan dimatikan — fungsi utama untuk modulator. Beberapa metasurfaces aktif dapat secara efektif memodulasi cahaya, tetapi hanya pada kecepatan rendah, hanya beberapa megahertz.

Untuk aplikasi seperti penginderaan atau komunikasi ruang bebas, Anda memerlukan semburan cahaya yang singkat dan cepat, dalam skala gigahertz.

Modulator berkecepatan tinggi yang dikembangkan oleh Capasso dan timnya menyatukan resonator metasurface dengan bahan elektro-optik organik berkinerja tinggi dan desain elektronik frekuensi tinggi untuk secara efisien memodulasi intensitas cahaya di ruang bebas.

Modulator terdiri dari lapisan tipis bahan elektro-optik organik yang diendapkan di atas permukaan meta yang diukir dengan resonator sub-panjang gelombang yang terintegrasi dengan elektronik gelombang mikro. Ketika medan gelombang mikro diterapkan pada bahan elektro-optik, indeks biasnya berubah, mengubah intensitas cahaya yang ditransmisikan oleh metasurface hanya dalam nanodetik.

“Dengan desain ini, kami sekarang dapat memodulasi cahaya 100 hingga 1.000 kali lebih cepat dari sebelumnya,” kata Ileana-Cristina Benea-Chelmus, rekan peneliti di Capasso Lab dan penulis pertama makalah ini. “Kemajuan kecepatan ini membuka kemungkinan baru dalam komputasi atau komunikasi dan tunabilitas metasurface membuka ruang aplikasi yang luas untuk fotonik ultrakompak yang dirancang khusus yang mungkin di masa depan disimpan ke produk optik ruang bebas skala nano.”

Selanjutnya, para peneliti bertujuan untuk melihat apakah mereka dapat memodulasi cahaya lebih cepat dan, dengan mengubah desain metasurface, memodulasi aspek cahaya lainnya seperti fase atau polarisasi.

Kantor Pengembangan Teknologi Harvard telah melindungi kekayaan intelektual yang terkait dengan proyek ini.

Penelitian ini ditulis bersama oleh Sydney Mason, Maryna L. Meretska, Dmitry Kazakov, Amirhassan Shams-Ansari dari SEAS, dan Larry R. Dalton dan Delwin Elder dari University of Washington. Hal ini didukung sebagian oleh Kantor Riset Ilmiah Angkatan Udara dengan nomor penghargaan FA9550-19-1-0352 dan FA9550-19-1-0069 dan program MURI Office of Naval Research (ONR), dengan nomor hibah N00014-20- 1-2450. Pekerjaan ini dilakukan sebagian di Harvard University Center for Nanoscale Systems (CNS), anggota National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Network (NNCI), yang didukung oleh National Science Foundation di bawah penghargaan NSF no. ECCS-2025158.

Komputasi Seluler