En los últimos años, los investigadores de varios países han utilizado fotónicos integrados para realizar sucesivamente la manipulación de ondas de luz infrarroja y aplicarlas a redes 5G de alta velocidad, sensores de chips y vehículos autónomos. En la actualidad, con la profundización continua de esta dirección de investigación, los investigadores han comenzado a llevar a cabo una detección en profundidad de bandas de luz visibles más cortas y desarrollar aplicaciones más extensas, como LiDAR a nivel de chip, AR/VR/MR (mejorado/virtual/híbrido) Realidad) Gafas, pantallas holográficas, chips de procesamiento cuántico, sondas optogénicas implantadas en el cerebro, etc., etc., etc., etc., etc.
La integración a gran escala de los moduladores de fase óptica es el núcleo del subsistema óptico para el enrutamiento óptico en chip y la conformación del frente de onda del espacio libre. Estas dos funciones primarias son esenciales para la realización de varias aplicaciones. Sin embargo, para los moduladores de fase óptica en el rango de luz visible, es particularmente difícil cumplir con los requisitos de alta transmitancia y alta modulación al mismo tiempo. Para cumplir con este requisito, incluso el nitruro de silicio más adecuado y los materiales de litio niobato deben aumentar el volumen y el consumo de energía.
Para resolver este problema, Michal Lipson y Nanfang Yu de la Universidad de Columbia diseñaron un modulador de fase termo-óptica de nitruro de silicio basado en el resonador de micro anillo adiabático. Probaron que el resonador de micro anillo opera en un fuerte estado de acoplamiento. El dispositivo puede lograr la modulación de fase con una pérdida mínima. En comparación con los moduladores de fase de guía de onda ordinarios, el dispositivo tiene al menos un orden de reducción de magnitud en el espacio y el consumo de energía. El contenido relacionado ha sido publicado en Nature Photonics.
Michal Lipson, un experto líder en el campo de la fotónica integrada, basada en el nitruro de silicio, dijo: "La clave de nuestra solución propuesta es usar un resonador óptico y operar en un llamado estado de acoplamiento fuerte".
El resonador óptico es una estructura altamente simétrica, que puede convertir un pequeño cambio de índice de refracción en un cambio de fase a través de múltiples ciclos de vigas de luz. En general, se puede dividir en tres estados de trabajo diferentes: "bajo acoplamiento" y "bajo acoplamiento". Acoplamiento crítico "y" acoplamiento fuerte ". Entre ellos, "bajo acoplamiento" solo puede proporcionar una modulación de fase limitada e introducirá cambios de amplitud innecesarios, y el "acoplamiento crítico" causará una pérdida óptica sustancial, afectando así el rendimiento real del dispositivo.
Para lograr una modulación de fase 2π completa y un cambio de amplitud mínima, el equipo de investigación manipuló la micrización en un estado de "acoplamiento fuerte". La fuerza de acoplamiento entre la microrización y el "bus" es al menos diez veces mayor que la pérdida de la microrización. Después de una serie de diseños y optimización, la estructura final se muestra en la figura a continuación. Este es un anillo resonante con un ancho cónico. La parte de guía de onda estrecha mejora la resistencia al acoplamiento óptico entre el "bus" y el microcolín. La parte amplia de la guía de onda La pérdida de luz de la microrización se reduce al reducir la dispersión óptica de la pared lateral.
Heqing Huang, el primer autor del documento, también dijo: “Hemos diseñado un modulador de fase de luz visible en miniatura, ahorro de energía y extremadamente baja con un radio de solo 5 μm y un consumo de potencia de modulación de fase π de solo 0.8 MW. La variación de amplitud introducida es inferior al 10%. Lo más raro es que este modulador es igualmente efectivo para las bandas azules y verdes más difíciles del espectro visible ".
Nanfang Yu también señaló que, aunque están lejos de alcanzar el nivel de integración de productos electrónicos, su trabajo ha reducido drásticamente la brecha entre los interruptores fotónicos y los interruptores electrónicos. "Si la tecnología de modulador anterior solo permitió la integración de 100 moduladores de fase de guía de onda dado un cierto presupuesto de huella y potencia de chips, ahora podemos integrar 10,000 camballones de fase en el mismo chip para lograr una función más compleja".
En resumen, este método de diseño se puede aplicar a los moduladores electroópticos para reducir el consumo de espacio y voltaje ocupado. También se puede usar en otros rangos espectrales y otros diseños de resonadores diferentes. En la actualidad, el equipo de investigación está cooperando para demostrar el espectro visible LiDAR compuesto por matrices de palanca de cambios de fase basadas en tales microrings. En el futuro, también se puede aplicar a muchas aplicaciones, como la no linealidad óptica mejorada, los láseres nuevos y la nueva óptica cuántica.
Fuente del artículo: https: //mp.weixin.qq.com/s/o6ihstkmbpqkdov4coukxa
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Tiempo de publicación: marzo-29-2023