I de senere årene har forskere fra forskjellige land brukt integrert fotonikk til suksessivt å realisere manipulering av infrarøde lysbølger og anvende dem på høyhastighets 5G-nettverk, chipsensorer og autonome kjøretøy. Med den kontinuerlige utdypingen av denne forskningsretningen har forskere for tiden begynt å utføre grundig deteksjon av kortere synlige lysbånd og utvikle mer omfattende applikasjoner, som chip-nivå LIDAR, AR/VR/MR (forbedret/virtuell/hybrid) virkelighetsbriller, holografiske skjermer, kvantebehandlingsbrikker, optogenetiske sonder implantert i hjernen, etc.
Storskalaintegrasjon av optiske fasemodulatorer er kjernen i det optiske delsystemet for optisk ruting på brikken og friromsbølgefrontforming. Disse to primære funksjonene er essensielle for realisering av ulike applikasjoner. For optiske fasemodulatorer i det synlige lysområdet er det imidlertid spesielt utfordrende å oppfylle kravene til høy transmittans og høy modulering samtidig. For å oppfylle dette kravet må selv de mest passende silisiumnitrid- og litiumniobatmaterialene øke volumet og strømforbruket.
For å løse dette problemet designet Michal Lipson og Nanfang Yu fra Columbia University en termooptisk fasemodulator av silisiumnitrid basert på den adiabatiske mikroringresonatoren. De beviste at mikroringresonatoren opererer i en sterk koblingstilstand. Enheten kan oppnå fasemodulasjon med minimalt tap. Sammenlignet med vanlige bølgelederfasemodulatorer har enheten minst en størrelsesordens reduksjon i plass- og strømforbruk. Det relaterte innholdet er publisert i Nature Photonics.
Michal Lipson, en ledende ekspert innen integrert fotonikk basert på silisiumnitrid, sa: «Nøkkelen til vår foreslåtte løsning er å bruke en optisk resonator og operere i en såkalt sterk koblingstilstand.»
Den optiske resonatoren har en svært symmetrisk struktur som kan konvertere en liten endring i brytningsindeksen til en faseendring gjennom flere sykluser med lysstråler. Generelt kan den deles inn i tre forskjellige arbeidstilstander: «underkobling» og «underkobling», «kritisk kobling» og «sterk kobling». Blant disse kan «underkobling» bare gi begrenset fasemodulasjon og vil introdusere unødvendige amplitudeendringer, og «kritisk kobling» vil forårsake betydelig optisk tap, og dermed påvirke enhetens faktiske ytelse.
For å oppnå fullstendig 2π-fasemodulasjon og minimal amplitudeendring, manipulerte forskerteamet mikroringen i en «sterk koblingstilstand». Koblingsstyrken mellom mikroringen og «bussen» er minst ti ganger høyere enn tapet av mikroringen. Etter en serie design og optimalisering er den endelige strukturen vist i figuren nedenfor. Dette er en resonansring med en avsmalnet bredde. Den smale bølgelederdelen forbedrer den optiske koblingsstyrken mellom «bussen» og mikrospolen. Den brede bølgelederdelen Lystapet fra mikroringen reduseres ved å redusere den optiske spredningen av sideveggen.
Heqing Huang, den første forfatteren av artikkelen, sa også: «Vi har designet en miniatyrisert, energisparende og ekstremt lavtapende fasemodulator for synlig lys med en radius på bare 5 μm og et strømforbruk for π-fasemodulasjon på bare 0,8 mW. Den introduserte amplitudevariasjonen er mindre enn 10 %. Det som er enda sjeldnere er at denne modulatoren er like effektiv for de vanskeligste blå og grønne båndene i det synlige spekteret.»
Nanfang Yu påpekte også at selv om de langt fra har nådd nivået for integrering av elektroniske produkter, har arbeidet deres dramatisk redusert gapet mellom fotoniske brytere og elektroniske brytere. «Hvis den tidligere modulatorteknologien bare tillot integrering av 100 bølgelederfasemodulatorer gitt et visst brikkeavtrykk og strømbudsjett, kan vi nå integrere 10 000 faseskiftere på samme brikke for å oppnå mer kompleks funksjon.»
Kort sagt kan denne designmetoden brukes på elektrooptiske modulatorer for å redusere plassbruken og spenningsforbruket. Den kan også brukes i andre spektralområder og andre forskjellige resonatordesign. For tiden samarbeider forskerteamet for å demonstrere LIDAR i det synlige spekteret, bestående av faseskiftermatriser basert på slike mikroringer. I fremtiden kan den også brukes på mange applikasjoner, som forbedret optisk ikke-linearitet, nye lasere og ny kvanteoptikk.
Artikkelkilde: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., som ligger i Kinas «Silicon Valley» – Beijing Zhongguancun, er en høyteknologisk bedrift dedikert til å betjene innenlandske og utenlandske forskningsinstitusjoner, forskningsinstitutter, universiteter og vitenskapelig forskningspersonell i bedrifter. Vårt selskap er hovedsakelig engasjert i uavhengig forskning og utvikling, design, produksjon og salg av optoelektroniske produkter, og tilbyr innovative løsninger og profesjonelle, personlige tjenester for vitenskapelige forskere og industriingeniører. Etter år med uavhengig innovasjon har de dannet en rik og perfekt serie med fotoelektriske produkter, som er mye brukt i kommunal, militær, transport, elektrisitet, finans, utdanning, medisin og andre næringer.
Vi gleder oss til samarbeidet med deg!
Publisert: 29. mars 2023