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 integrados y vehículos autónomos. Actualmente, con el avance de esta línea de investigación, se ha comenzado a realizar una detección más profunda de bandas de luz visible más cortas y a desarrollar aplicaciones más amplias, como LIDAR integrado en chips, gafas de realidad aumentada/virtual/mixta (RA/RV/RM), pantallas holográficas, chips de procesamiento cuántico, sondas optogenéticas implantadas en el cerebro, etc.
La integración a gran escala de moduladores de fase ópticos es fundamental para el subsistema óptico de enrutamiento óptico en chip y la conformación de frentes de onda en espacio libre. Estas dos funciones primarias son esenciales para la realización de diversas aplicaciones. Sin embargo, para los moduladores de fase ópticos en el rango de 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 aumento de 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 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 reduce el espacio y el consumo de energía en al menos un orden de magnitud. El contenido relacionado se ha publicado en Nature Photonics.
Michal Lipson, un experto destacado en el campo de la fotónica integrada basada en nitruro de silicio, dijo: "La clave de nuestra solución propuesta es utilizar un resonador óptico y operar en un estado denominado 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 haces de luz. Generalmente, se puede dividir en tres estados de funcionamiento diferentes: acoplamiento parcial, acoplamiento crítico y acoplamiento fuerte. El acoplamiento parcial solo proporciona una modulación de fase limitada e introduce cambios de amplitud innecesarios, mientras que el acoplamiento crítico provoca una pérdida óptica sustancial, afectando así el rendimiento real del dispositivo.
Para lograr una modulación de fase 2π completa y un cambio de amplitud mínimo, 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 siguiente. 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 reduce la pérdida de luz del microring 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 energético y con pérdidas extremadamente bajas, 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 destacable es que este modulador es igualmente eficaz para las bandas azul y verde, las más difíciles de modular en el 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 moduladores anterior solo permitía la integración de 100 moduladores de fase de guía de onda, dado un determinado tamaño de chip y presupuesto de energía, ahora podemos integrar 10 000 desplazadores de fase 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 utilizarse en otros rangos espectrales y con diferentes diseños de resonadores. Actualmente, el equipo de investigación colabora en la demostración de un sistema LIDAR de espectro visible compuesto por matrices de desfasadores basadas en dichos microranillos. En el futuro, podrá aplicarse a diversas aplicaciones, como la mejora de la no linealidad óptica, nuevos láseres y nuevas ópticas cuánticas.
Fuente del artículo: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Fecha de publicación: 29 de marzo de 2023