В останні роки дослідники з різних країн використовували інтегровану фотоніку для послідовної реалізації маніпуляцій інфрачервоними світловими хвилями та застосування їх у високошвидкісних мережах 5G, чіпових датчиках та автономних транспортних засобах. Наразі, з постійним поглибленням цього напрямку досліджень, дослідники почали проводити глибоке виявлення коротших смуг видимого світла та розробляти більш широкі застосування, такі як лідар на рівні чіпів, окуляри AR/VR/MR (розширеної/віртуальної/гібридної) реальності, голографічні дисплеї, квантові чіпи обробки, оптогенетичні зонди, імплантовані в мозок, тощо.
Масштабна інтеграція оптичних фазових модуляторів є основою оптичної підсистеми для оптичної трасування на кристалі та формування хвильового фронту у вільному просторі. Ці дві основні функції є важливими для реалізації різних застосувань. Однак для оптичних фазових модуляторів у діапазоні видимого світла особливо складно одночасно задовольнити вимоги високого коефіцієнта пропускання та високої модуляції. Щоб задовольнити цю вимогу, навіть найпридатніші матеріали на основі нітриду кремнію та ніобату літію повинні збільшити об'єм та енергоспоживання.
Щоб вирішити цю проблему, Міхал Ліпсон та Наньфан Ю з Колумбійського університету розробили термооптичний фазовий модулятор на основі нітриду кремнію на основі адіабатичного мікрокільцевого резонатора. Вони довели, що мікрокільцевий резонатор працює в стані сильного зв'язку. Пристрій може досягати фазової модуляції з мінімальними втратами. Порівняно зі звичайними хвилеводними фазовими модуляторами, пристрій має щонайменше на порядок менше місця та енергоспоживання. Відповідний контент опубліковано в Nature Photonics.
Міхал Ліпсон, провідний експерт у галузі інтегрованої фотоніки на основі нітриду кремнію, сказав: «Ключем до запропонованого нами рішення є використання оптичного резонатора та робота в так званому стані сильного зв'язку».
Оптичний резонатор — це високосиметрична структура, яка може перетворювати невелику зміну показника заломлення на зміну фази через кілька циклів світлових променів. Загалом, його можна розділити на три різні робочі стани: «недостатній зв'язок» та «недостатній зв'язок». Критичний зв'язок» та «сильний зв'язок». Серед них «недостатній зв'язок» може забезпечити лише обмежену фазову модуляцію та призведе до непотрібних змін амплітуди, а «критичний зв'язок» спричинить суттєві оптичні втрати, тим самим впливаючи на фактичну продуктивність пристрою.
Щоб досягти повної 2π-фазової модуляції та мінімальної зміни амплітуди, дослідницька група маніпулювала мікрокільцем у стані «сильного зв'язку». Сила зв'язку між мікрокільцем та «шиною» щонайменше в десять разів вища, ніж втрати в мікрокільці. Після серії проектних рішень та оптимізації кінцева структура показана на рисунку нижче. Це резонансне кільце зі звуженою шириною. Вузька хвилеводна частина покращує оптичну силу зв'язку між «шиною» та мікрокотушкою. Широка хвилеводна частина. Втрати світла в мікрокільці зменшуються за рахунок зменшення оптичного розсіювання на бічній стінці.
Хецін Хуан, перший автор статті, також сказав: «Ми розробили мініатюрний, енергозберігаючий модулятор фази видимого світла з надзвичайно низькими втратами, радіусом лише 5 мкм та споживаною потужністю π-фазової модуляції лише 0,8 мВт. Введена амплітудна варіація становить менше 10%. Що ще рідше трапляється, так це те, що цей модулятор однаково ефективний для найскладніших синіх та зелених смуг видимого спектру».
Наньфан Юй також зазначив, що хоча вони ще далекі від рівня інтеграції електронних продуктів, їхня робота значно скоротила розрив між фотонними та електронними перемикачами. «Якщо попередня технологія модуляторів дозволяла інтегрувати лише 100 хвилеводних фазових модуляторів за певного розміру кристала та бюджету потужності, то тепер ми можемо інтегрувати 10 000 фазообертачів на одному кристалі для досягнення більш складних функцій».
Коротше кажучи, цей метод проектування може бути застосований до електрооптичних модуляторів для зменшення займаного простору та споживання напруги. Його також можна використовувати в інших спектральних діапазонах та інших різних конструкціях резонаторів. Наразі дослідницька група співпрацює з метою демонстрації LIDAR видимого спектру, що складається з масивів фазообертачів на основі таких мікрокілець. У майбутньому він також може бути застосований до багатьох застосувань, таких як покращена оптична нелінійність, нові лазери та нова квантова оптика.
Джерело статті: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Компанія Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., розташована в китайській «Кремнієвій долині» – Пекін Чжунгуаньцунь, – це високотехнологічне підприємство, що спеціалізується на обслуговуванні вітчизняних та іноземних дослідницьких установ, інститутів, університетів та науково-дослідного персоналу підприємств. Наша компанія в основному займається незалежними дослідженнями та розробками, проектуванням, виробництвом, продажем оптоелектронної продукції, а також надає інноваційні рішення та професійні, персоналізовані послуги науковцям-дослідникам та промисловим інженерам. Після років незалежних інновацій вона створила багату та досконалу серію фотоелектричних продуктів, які широко використовуються в муніципальній, військовій, транспортній, електроенергетичній, фінансовій, освітній, медичній та інших галузях промисловості.
Ми з нетерпінням чекаємо на співпрацю з вами!
Час публікації: 29 березня 2023 р.