En los últimos años, investigadores de diversos países han utilizado la fotónica integrada para manipular con éxito las ondas de luz infrarroja y aplicarlas a redes 5G de alta velocidad, sensores en chips y vehículos autónomos. Actualmente, gracias a la continua profundización en esta línea de investigación, se ha comenzado a realizar una detección exhaustiva de las bandas de luz visible más cortas y a desarrollar aplicaciones más amplias, como LIDAR a nivel de chip, gafas de realidad aumentada/virtual/híbrida (AR/VR/MR), pantallas holográficas, chips de procesamiento cuántico y sondas optogenéticas implantadas en el cerebro, entre otras.
La integración a gran escala de moduladores de fase ópticos constituye el núcleo del subsistema óptico para el enrutamiento óptico en chip y la conformación de frentes de onda en espacio libre. Estas dos funciones principales son esenciales para la realización de diversas aplicaciones. Sin embargo, para los moduladores de fase ópticos en el rango de la luz visible, resulta particularmente difícil cumplir simultáneamente con los requisitos de alta transmitancia y alta modulación. Para lograrlo, incluso los materiales más adecuados, como el nitruro de silicio y el niobato de litio, requieren un mayor volumen y consumo de energía.
Para solucionar este problema, Michal Lipson y Nanfang Yu, de la Universidad de Columbia, diseñaron un modulador de fase termoóptico de nitruro de silicio basado en un resonador de microranillo adiabático. Demostraron que el resonador de microranillo opera en un estado de acoplamiento fuerte. El dispositivo logra la modulación de fase con pérdidas mínimas. En comparación con los moduladores de fase de guía de onda convencionales, el dispositivo presenta una reducción de al menos un orden de magnitud en espacio y consumo de energía. El contenido relacionado se publicó en Nature Photonics.
Michal Lipson, un destacado experto en el campo de la fotónica integrada basada en nitruro de silicio, afirmó: “La clave de nuestra solución propuesta reside en utilizar un resonador óptico y operar en un estado denominado de acoplamiento fuerte”.
El resonador óptico es una estructura de alta simetría que, mediante múltiples ciclos de haces de luz, convierte una pequeña variación del índice de refracción en un cambio de fase. Generalmente, se puede clasificar en tres estados de funcionamiento: acoplamiento insuficiente, acoplamiento crítico y acoplamiento fuerte. El acoplamiento insuficiente proporciona una modulación de fase limitada e introduce cambios de amplitud innecesarios, mientras que el acoplamiento crítico provoca pérdidas ópticas sustanciales, afectando así el rendimiento del dispositivo.
Para lograr una modulación de fase completa de 2π y una mínima variación de amplitud, el equipo de investigación manipuló el microranillo en un estado de acoplamiento fuerte. La intensidad del acoplamiento entre el microranillo y el bus es al menos diez veces mayor que la pérdida del microranillo. Tras una serie de diseños y optimizaciones, la estructura final se muestra en la figura inferior. Se trata de un anillo resonante con un ancho que disminuye gradualmente. La sección estrecha de la guía de onda mejora la intensidad del acoplamiento óptico entre el bus y la microbobina. La sección ancha de la guía de onda reduce la pérdida de luz del microranillo al disminuir la dispersión óptica de la pared lateral.
Heqing Huang, primer autor del artículo, declaró: «Hemos diseñado un modulador de fase de luz visible miniaturizado, de bajo consumo y con pérdidas mínimas, con un radio de tan solo 5 μm y un consumo de energía de modulación de fase π de solo 0,8 mW. La variación de amplitud introducida es inferior al 10 %. Lo más excepcional es que este modulador resulta igualmente eficaz para las bandas azul y verde, las más difíciles del espectro visible».
Nanfang Yu también señaló que, si bien aún están lejos de alcanzar el nivel de integración de los productos electrónicos, su trabajo ha reducido drásticamente la brecha entre los interruptores fotónicos y los electrónicos. «Si la tecnología de modulación anterior solo permitía la integración de 100 moduladores de fase de guía de onda con un tamaño de chip y un consumo energético determinados, ahora podemos integrar 10 000 desplazadores de fase en el mismo chip para lograr funciones más complejas».
En resumen, este método de diseño se puede aplicar a moduladores electroópticos para reducir el espacio ocupado y el consumo de voltaje. También se puede utilizar en otros rangos espectrales y con diferentes diseños de resonadores. Actualmente, el equipo de investigación colabora en la demostración de un LIDAR de espectro visible compuesto por matrices de moduladores de fase basadas en dichos microranillos. En el futuro, también podrá aplicarse a diversas áreas, como la mejora de la no linealidad óptica, nuevos láseres y la óptica cuántica.
Fuente del artículo: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Fecha de publicación: 29 de marzo de 2023