LiDAR ve kuantum teknolojilerini dönüştürecek fotonik çip

ABD'deki CUNY laboratuvarlarında geliştirilen yeni nesil ultra ince çip, kızılötesi lazer ışığını görünür yeşil ışığa dönüştürürken, hareketli hiçbir parça kullanmadan ışın demetini istenilen açıya yönlendirmeyi başardı. Bu teknoloji, benzerlerine göre 100 kat daha yüksek verimlilik sunuyor.

Otonom sürüş sistemlerinden (LiDAR) fiber optik iletişime kadar birçok teknoloji, ışığın hassas bir şekilde yönlendirilmesine dayanır. Geleneksel lensler ve prizmalar bu işi yapsa da, donanımların mikro boyutlara (çip üstü) küçültülmesi gerektiğinde ciddi mühendislik engelleri ortaya çıkar. CUNY ASRC Fotonik Girişimi araştırmacıları, eLight dergisinde yayımlanan son çalışmalarında, bu engelleri aşan yenilikçi bir ‘metayüzey’ (metasurface) teknolojisi tanıttı.

ULTRA İNCE ÇİP NASIL ÇALIŞIYOR? 

Geliştirilen bu yeni çip, yüzeyi ışığın dalga boyundan bile daha küçük, özel olarak desenlenmiş nano yapılarla kaplı ultra ince bir donanımdır.

• Renk ve frekans dönüşümü: Çip, özellikle fiber optik iletişim sistemlerinde yaygın olarak kullanılan yaklaşık 1530 nanometre (kızılötesi/görünmez) dalga boyundaki ışıkla aydınlatıldığında, bunu 510 nanometre dalga boyuna sahip görünür yeşil ışığa dönüştürüyor.
• Mekanik parçasız yönlendirme: Gelen ışığın polarizasyonu değiştirildiğinde, üretilen yeni yeşil ışık demetinin yönü de çip üzerinden anında değiştirilebiliyor.

CUNY ASRC Fotonik Girişimi Kurucu Direktörü Prof. Dr. Andrea Alù, sistemi şu sözlerle özetliyor: "Bunu, tek bir çip üzerinde bulunan, sadece ışığın rengini değiştirmekle kalmayıp aynı zamanda ışın demetini tam olarak istediğiniz yere yönlendiren düz ve mikroskobik bir spot ışığı olarak düşünün."

YÜZ KAT DAHA VERİMLİ: METAYÜZEY DENGESİZLİĞİ AŞILDI 

Nanoteknoloji uzmanları yıllardır ışığı manipüle etmek için bu tür düz malzemeler tasarlıyor. Ancak bugüne kadar aşılması zor bir ikilem (trade-off) vardı: Işığı kontrol eden nano yapılar ya yönlendirmede esnekti ancak enerji dönüşümünde verimsizdi, ya da çok verimliydi ancak ışının yönü üzerinde kontrolü kaybediyordu.

CUNY ekibi, bu iki avantajı tek bir yapıda birleştiren ilk cihazı üretti. Çip, gelen kızılötesi ışığı tüm yüzey boyunca hapsedip güçlendiren özel bir rezonans tekniği kullanarak, önceki benzer cihazlara kıyasla yaklaşık 100 kat daha verimli bir ‘üçüncü harmonik sinyal’ üretiyor.

LİDAR VE KUANTUM TEKNOLOJİLERİNDE YENİ UFUK 

Düz bir çip üzerinden farklı ışık renkleri üretme ve bunları hareketli parça olmadan yönlendirme yeteneği, devasa bir ticari potansiyel taşıyor.

Çalışmanın baş yazarı Michele Cotrufo, bu mimarinin endüstriyel karşılığını şu sözlerle açıklıyor: "Bu platform; LiDAR (Lazerli Mesafe Ölçüm), kuantum ışık üretimi ve optik sinyal işleme gibi teknolojiler için ultra kompakt ışık kaynaklarına giden yolu açıyor. Üstelik bu konsept, belirli bir malzemeye değil geometriye dayandığı için ultraviyole de dahil olmak üzere birçok farklı ışık spektrumuna uygulanabilir."

Araştırmacılar bir sonraki aşamada, farklı frekanslara ayarlanmış birkaç metayüzeyi üst üste entegre ederek çok daha geniş dalga boylarında çalışabilen ticari sürümler geliştirmeyi hedefliyor.