В последние годы исследователи из разных стран успешно используют интегрированную фотонику для реализации манипуляции инфракрасными световыми волнами и их применения в высокоскоростных сетях 5G, чип-сенсорах и автономных транспортных средствах. В настоящее время, по мере дальнейшего развития этого направления исследований, исследователи начали проводить углубленное обнаружение более коротких спектров видимого света и разрабатывать более обширные приложения, такие как лидары на уровне чипов, очки дополненной/виртуальной/смешанной реальности (AR/VR/MR), голографические дисплеи, чипы квантовой обработки, оптогенетические зонды, имплантируемые в мозг, и т. д.
Широкомасштабная интеграция оптических фазовых модуляторов является основой оптической подсистемы для внутрикристальной оптической маршрутизации и формирования волнового фронта в свободном пространстве. Эти две основные функции необходимы для реализации различных приложений. Однако для оптических фазовых модуляторов в видимом диапазоне света особенно сложно одновременно удовлетворить требования высокого коэффициента пропускания и высокой модуляции. Для удовлетворения этого требования даже самые подходящие материалы – нитрид кремния и ниобат лития – требуют увеличения объёма и энергопотребления.
Чтобы решить эту проблему, Михал Липсон и Наньфан Юй из Колумбийского университета разработали термооптический фазовый модулятор на основе нитрида кремния на основе адиабатического микрокольцевого резонатора. Они доказали, что микрокольцевой резонатор работает в состоянии сильной связи. Устройство позволяет осуществлять фазовую модуляцию с минимальными потерями. По сравнению с обычными волноводными фазовыми модуляторами, устройство занимает как минимум на порядок меньше места и потребляет меньше энергии. Соответствующая информация опубликована в журнале Nature Photonics.
Михал Липсон, ведущий специалист в области интегральной фотоники на основе нитрида кремния, отметил: «Ключом к предлагаемому нами решению является использование оптического резонатора и работа в так называемом состоянии сильной связи».
Оптический резонатор представляет собой высокосимметричную структуру, способную преобразовывать небольшое изменение показателя преломления в изменение фазы посредством нескольких циклов световых лучей. В общем случае его можно разделить на три различных рабочих состояния: «недостаточная связь» и «недостаточная связь». «Критическая связь» и «сильная связь». При этом «недостаточная связь» обеспечивает лишь ограниченную фазовую модуляцию и вносит ненужные изменения амплитуды, а «критическая связь» приводит к значительным оптическим потерям, что влияет на фактические характеристики устройства.
Для достижения полной 2π фазовой модуляции и минимального изменения амплитуды исследовательская группа управляла микрокольцом в состоянии «сильной связи». Сила связи между микрокольцом и «шиной» как минимум в десять раз превышает потери в микрокольце. После серии усовершенствований и оптимизации окончательная структура показана на рисунке ниже. Это резонансное кольцо с конической шириной. Узкая волноводная часть улучшает оптическую силу связи между «шиной» и микрокатушкой. Широкая волноводная часть уменьшает потери света в микрокольце за счет уменьшения оптического рассеяния на боковой стенке.
Хэцин Хуан, первый автор статьи, также отметил: «Мы разработали миниатюрный, энергосберегающий и чрезвычайно малопотерьный фазовый модулятор видимого света с радиусом всего 5 мкм и потребляемой мощностью π-фазовой модуляции всего 0,8 мВт. Вносимое изменение амплитуды составляет менее 10%. Что ещё более удивительно, этот модулятор одинаково эффективен для самых сложных синих и зелёных диапазонов видимого спектра».
Наньфан Юй также отметил, что, хотя они ещё далеки от уровня интеграции электронных продуктов, их работа значительно сократила разрыв между фотонными и электронными переключателями. «Если предыдущая технология модуляции позволяла интегрировать лишь 100 волноводных фазовых модуляторов при определённых размерах кристалла и энергозатратах, то теперь мы можем интегрировать 10 000 фазовращателей на одном кристалле для достижения более сложных функций».
Короче говоря, этот метод проектирования может быть применён к электрооптическим модуляторам для уменьшения занимаемого пространства и потребляемого напряжения. Он также может быть использован в других спектральных диапазонах и с другими конструкциями резонаторов. В настоящее время исследовательская группа работает над демонстрацией лидара видимого спектра, состоящего из решёток фазовращателей на основе таких микроколец. В будущем он может быть использован во многих приложениях, таких как улучшенная оптическая нелинейность, новые лазеры и новая квантовая оптика.
Источник статьи:https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Компания Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., расположенная в районе Чжунгуаньцунь (Китай), известном как «Кремниевая долина», является высокотехнологичным предприятием, оказывающим услуги отечественным и зарубежным научно-исследовательским учреждениям, университетам и научным сотрудникам предприятий. Наша компания занимается в основном независимыми исследованиями и разработками, проектированием, производством и продажей оптоэлектронной продукции, а также предоставляет инновационные решения и профессиональные персонализированные услуги научным исследователям и промышленным инженерам. За годы самостоятельной инновационной деятельности компания создала широкий ассортимент усовершенствованной фотоэлектрической продукции, которая широко используется в коммунальном хозяйстве, оборонной промышленности, транспорте, электроэнергетике, финансах, образовании, медицине и других отраслях.
Мы будем рады сотрудничеству с Вами!
Время публикации: 29 марта 2023 г.