Under senare år har forskare från olika länder använt integrerad fotonik för att successivt realisera manipulationen av infraröda ljusvågor och tillämpa dem på höghastighets-5G-nätverk, chipsensorer och autonoma fordon. För närvarande, med den kontinuerliga fördjupningen av denna forskningsinriktning, har forskare börjat utföra djupgående detektion av kortare synliga ljusband och utveckla mer omfattande tillämpningar, såsom LIDAR på chipnivå, AR/VR/MR (enhanced/virtual/hybrid) Reality-glasögon, holografiska displayer, kvantbearbetningschips, optogenetiska sonder implanterade i hjärnan, etc.
Storskalig integration av optiska fasmodulatorer är kärnan i det optiska delsystemet för optisk routing på chip och formning av fritt rymdvågfronter. Dessa två primära funktioner är avgörande för att förverkliga olika tillämpningar. För optiska fasmodulatorer inom det synliga ljusområdet är det dock särskilt utmanande att uppfylla kraven på hög transmittans och hög modulering samtidigt. För att uppfylla detta krav måste även de mest lämpliga kiselnitrid- och litiumniobatmaterialen öka volymen och effektförbrukningen.
För att lösa detta problem konstruerade Michal Lipson och Nanfang Yu vid Columbia University en termooptisk fasmodulator av kiselnitrid baserad på den adiabatiska mikroringresonatorn. De bevisade att mikroringresonatorn arbetar i ett starkt kopplingstillstånd. Enheten kan uppnå fasmodulering med minimal förlust. Jämfört med vanliga vågledarfasmodulatorer har enheten minst en storleksordnings minskning av utrymmes- och strömförbrukning. Relaterat innehåll har publicerats i Nature Photonics.
Michal Lipson, en ledande expert inom integrerad fotonik, baserad på kiselnitrid, sa: ”Nyckeln till vår föreslagna lösning är att använda en optisk resonator och arbeta i ett så kallat starkt kopplingstillstånd.”
Den optiska resonatorn har en mycket symmetrisk struktur som kan omvandla en liten brytningsindexförändring till en fasförändring genom flera cykler av ljusstrålar. Generellt kan den delas in i tre olika arbetstillstånd: "underkoppling" och "underkoppling", "kritisk koppling" och "stark koppling". Bland dessa kan "underkoppling" endast ge begränsad fasmodulering och introducera onödiga amplitudförändringar, och "kritisk koppling" orsakar betydande optisk förlust, vilket påverkar enhetens faktiska prestanda.
För att uppnå fullständig 2π-fasmodulering och minimal amplitudförändring manipulerade forskargruppen mikroringen i ett "starkt kopplingstillstånd". Kopplingsstyrkan mellan mikroringen och "bussen" är minst tio gånger högre än förlusten hos mikroringen. Efter en serie designer och optimeringar visas den slutliga strukturen i figuren nedan. Detta är en resonansring med en avsmalnande bredd. Den smala vågledardelen förbättrar den optiska kopplingsstyrkan mellan "bussen" och mikrospolen. Den breda vågledardelen Ljusförlusten från mikroringen minskas genom att minska den optiska spridningen av sidoväggen.
Heqing Huang, den första författaren till artikeln, sa också: ”Vi har designat en miniatyriserad, energibesparande och extremt förlustsnål fasmodulator för synligt ljus med en radie på endast 5 μm och en π-fasmoduleringseffektförbrukning på endast 0,8 mW. Den introducerade amplitudvariationen är mindre än 10 %. Vad som är mer ovanligt är att denna modulator är lika effektiv för de svåraste blå och gröna banden i det synliga spektrumet.”
Nanfang Yu påpekade också att även om de är långt ifrån att nå nivån för integration av elektroniska produkter, har deras arbete dramatiskt minskat klyftan mellan fotoniska switchar och elektroniska switchar. ”Om den tidigare modulatortekniken bara tillät integrationen av 100 vågledarfasmodulatorer givet ett visst chipfotavtryck och en viss effektbudget, kan vi nu integrera 10 000 fasskiftare på samma chip för att uppnå mer komplex funktion.”
Kort sagt kan denna designmetod tillämpas på elektrooptiska modulatorer för att minska utrymmesbehovet och spänningsförbrukningen. Den kan också användas i andra spektralområden och andra olika resonatordesigner. För närvarande samarbetar forskargruppen för att demonstrera LIDAR för synligt spektrum, bestående av fasskiftarmatriser baserade på sådana mikroringar. I framtiden kan den också tillämpas på många tillämpningar, såsom förbättrad optisk olinjäritet, nya lasrar och ny kvantoptik.
Artikelkälla: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., beläget i Kinas "Silicon Valley" – Beijing Zhongguancun, är ett högteknologiskt företag som är dedikerat till att betjäna inhemska och utländska forskningsinstitut, universitet och vetenskaplig personal inom företagsforskning. Vårt företag är huvudsakligen verksamt inom oberoende forskning och utveckling, design, tillverkning och försäljning av optoelektroniska produkter och erbjuder innovativa lösningar och professionella, personliga tjänster för forskare och industriingenjörer. Efter år av oberoende innovation har företaget bildat en rik och perfekt serie av fotoelektriska produkter, som används i stor utsträckning inom kommunal, militär, transport, elkraft, finans, utbildning, medicin och andra industrier.
Vi ser fram emot samarbetet med dig!
Publiceringstid: 29 mars 2023