En los últimos años, investigadores de diversos países han utilizado la fotónica integrada para manipular las ondas de luz infrarroja y aplicarlas a redes 5G de alta velocidad, sensores de chip y vehículos autónomos. Actualmente, con la continua profundización de esta línea de investigación, se ha comenzado a realizar la detección en profundidad de bandas de luz visible más cortas y a desarrollar aplicaciones más extensas, como el LIDAR a nivel de chip, las gafas de realidad aumentada (RA/RV/RM), las pantallas holográficas, los chips de procesamiento cuántico, las sondas optogenéticas implantadas en el cerebro, etc.
La integración a gran escala de moduladores ópticos de fase es fundamental para el enrutamiento óptico en chip y la conformación del frente de onda en espacio libre. Estas dos funciones principales son esenciales para la realización de diversas aplicaciones. Sin embargo, para los moduladores ópticos de fase en el rango de luz visible, resulta especialmente difícil cumplir simultáneamente los requisitos de alta transmitancia y alta modulación. Para cumplir este requisito, incluso los materiales más adecuados, como el nitruro de silicio y el niobato de litio, requieren un mayor volumen y consumo de energía.
Para resolver este problema, Michal Lipson y Nanfang Yu, de la Universidad de Columbia, diseñaron un modulador de fase termoóptico de nitruro de silicio basado en el resonador adiabático de microanillo. Demostraron que el resonador de microanillo opera en un estado de acoplamiento fuerte. El dispositivo puede lograr la modulación de fase con mínimas pérdidas. En comparación con los moduladores de fase de guía de ondas convencionales, el dispositivo ofrece una reducción de al menos un orden de magnitud en el espacio y el consumo de energía. El contenido relacionado se ha publicado en Nature Photonics.
Michal Lipson, experto líder en el campo de la fotónica integrada basada en nitruro de silicio, afirmó: «La clave de nuestra solución propuesta es utilizar un resonador óptico y operar en un estado de acoplamiento fuerte».
El resonador óptico es una estructura altamente simétrica que puede convertir un pequeño cambio en el índice de refracción en un cambio de fase mediante múltiples ciclos de rayos de luz. Generalmente, se puede dividir en tres estados de funcionamiento: "subacoplamiento" y "subacoplamiento", "acoplamiento crítico" y "acoplamiento fuerte". Entre ellos, el "subacoplamiento" solo proporciona una modulación de fase limitada e introduce cambios de amplitud innecesarios, mientras que el "acoplamiento crítico" causa una pérdida óptica considerable, lo que afecta al rendimiento del dispositivo.
Para lograr una modulación de fase 2π completa y un cambio mínimo de amplitud, el equipo de investigación manipuló el microring en un estado de "acoplamiento fuerte". La fuerza de acoplamiento entre el microring y el "bus" es al menos diez veces mayor que la pérdida del microring. Después de una serie de diseños y optimizaciones, la estructura final se muestra en la figura a continuación. Este es un anillo resonante con un ancho cónico. La parte estrecha de la guía de onda mejora la fuerza de acoplamiento óptico entre el "bus" y la microbobina. La parte ancha de la guía de onda La pérdida de luz del microring se reduce al reducir la dispersión óptica de la pared lateral.
Heqing Huang, primer autor del artículo, también afirmó: «Hemos diseñado un modulador de fase de luz visible en miniatura, de bajo consumo y con pérdidas extremadamente bajas, con un radio de tan solo 5 μm y un consumo de energía de modulación de fase π de tan solo 0,8 mW. La variación de amplitud introducida es inferior al 10 %. Lo más excepcional es que este modulador es igualmente eficaz para las bandas azul y verde más complejas del espectro visible».
Nanfang Yu también señaló que, si bien 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 ondas con un tamaño de chip y un presupuesto de energía determinados, ahora podemos integrar 10 000 desfasadores en el mismo chip para lograr funciones más complejas".
En resumen, este método de diseño puede aplicarse a moduladores electroópticos para reducir el espacio ocupado y el consumo de voltaje. También puede emplearse en otros rangos espectrales y con diferentes diseños de resonadores. Actualmente, el equipo de investigación colabora para demostrar el LIDAR del espectro visible compuesto por matrices de desfasadores basadas en estos microanillos. En el futuro, también podrá aplicarse a diversas aplicaciones, como la no linealidad óptica mejorada, nuevos láseres y la nueva óptica cuántica.
Fuente del artículo: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Hora de publicación: 29 de marzo de 2023