В последние годы исследователи из разных стран используют интегрированную фотонику для последовательной реализации управления инфракрасными световыми волнами и их применения в высокоскоростных сетях 5G, чиповых датчиках и беспилотных автомобилях. В настоящее время, с непрерывным углублением этого направления исследований, ученые начали проводить углубленное обнаружение более коротких диапазонов видимого света и разрабатывать более широкие области применения, такие как LIDAR на уровне чипов, очки дополненной/виртуальной/смешанной реальности (AR/VR/MR), голографические дисплеи, квантовые процессоры, оптогенетические зонды, имплантируемые в мозг и т. д.
Крупномасштабная интеграция оптических фазовых модуляторов является ядром оптической подсистемы для внутрикристальной оптической маршрутизации и формирования волнового фронта в свободном пространстве. Эти две основные функции имеют важное значение для реализации различных приложений. Однако для оптических фазовых модуляторов в видимом диапазоне света особенно сложно одновременно обеспечить высокую пропускающую способность и высокую модуляцию. Для удовлетворения этого требования даже самые подходящие материалы, такие как нитрид кремния и ниобат лития, требуют увеличения объема и энергопотребления.
Для решения этой проблемы Михал Липсон и Наньфан Ю из Колумбийского университета разработали термооптический фазовый модулятор на основе нитрида кремния с использованием адиабатического микрокольцевого резонатора. Они доказали, что микрокольцевой резонатор работает в режиме сильной связи. Устройство позволяет осуществлять фазовую модуляцию с минимальными потерями. По сравнению с обычными волноводными фазовыми модуляторами, устройство обеспечивает как минимум на порядок меньшие габариты и энергопотребление. Соответствующая статья опубликована в журнале Nature Photonics.
Михал Липсон, ведущий эксперт в области интегрированной фотоники на основе нитрида кремния, сказал: «Ключ к предлагаемому нами решению заключается в использовании оптического резонатора и работе в так называемом состоянии сильной связи».
Оптический резонатор — это высокосимметричная структура, способная преобразовывать небольшое изменение показателя преломления в изменение фазы посредством многократных циклов световых лучей. Как правило, его можно разделить на три различных рабочих состояния: «недостаточная связь», «критическая связь» и «сильная связь». При этом «недостаточная связь» обеспечивает лишь ограниченную фазовую модуляцию и вносит ненужные изменения амплитуды, а «критическая связь» вызывает существенные оптические потери, что влияет на фактическую производительность устройства.
Для достижения полной модуляции фазы на 2π и минимального изменения амплитуды исследовательская группа управляла микрокольцом в состоянии «сильной связи». Сила связи между микрокольцом и «шлюзом» как минимум в десять раз выше, чем потери микрокольца. После ряда разработок и оптимизаций окончательная структура показана на рисунке ниже. Это резонансное кольцо с конической шириной. Узкая волноводная часть улучшает силу оптической связи между «шлюзом» и микрокатушкой. Широкая волноводная часть уменьшает потери света в микрокольце за счет снижения оптического рассеяния на боковых стенках.
Хэцин Хуан, первый автор статьи, также сказал: «Мы разработали миниатюрный, энергосберегающий и чрезвычайно малопотерный фазовый модулятор видимого света с радиусом всего 5 мкм и потреблением мощности π-фазовой модуляции всего 0,8 мВт. Вносимое изменение амплитуды составляет менее 10%. Что еще более редко, так это то, что этот модулятор одинаково эффективен для самых сложных синих и зеленых диапазонов видимого спектра».
Наньфан Юй также отметил, что, хотя им еще далеко до уровня интеграции электронных изделий, их работа значительно сократила разрыв между фотонными и электронными переключателями. «Если предыдущая технология модуляции позволяла интегрировать только 100 волноводных фазовых модуляторов при определенных размерах чипа и энергопотреблении, то теперь мы можем интегрировать 10 000 фазовращателей на одном чипе для достижения более сложных функций».
Вкратце, этот метод проектирования может быть применен к электрооптическим модуляторам для уменьшения занимаемого пространства и потребления напряжения. Он также может быть использован в других спектральных диапазонах и для других конструкций резонаторов. В настоящее время исследовательская группа сотрудничает над демонстрацией лидара видимого спектра, состоящего из массивов фазовых сдвигов на основе таких микроколец. В будущем он также может быть применен во многих областях, таких как усиление оптической нелинейности, новые лазеры и новая квантовая оптика.
Источник статьи: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Компания Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., расположенная в китайской «Кремниевой долине» – районе Чжунгуаньцунь города Пекина, является высокотехнологичным предприятием, ориентированным на обслуживание отечественных и зарубежных научно-исследовательских учреждений, институтов, университетов и научно-исследовательских кадров предприятий. Наша компания занимается в основном самостоятельными исследованиями и разработками, проектированием, производством и продажей оптоэлектронной продукции, предоставляя инновационные решения и профессиональные, персонализированные услуги научным исследователям и инженерам-технологам. За годы самостоятельных инноваций компания сформировала богатый и совершенный ассортимент фотоэлектрической продукции, широко используемой в коммунальном хозяйстве, военной сфере, транспорте, электроэнергетике, финансах, образовании, медицине и других отраслях.
Мы с нетерпением ждём сотрудничества с вами!
Дата публикации: 29 марта 2023 г.