Nos últimos anos, pesquisadores de vários países usaram a fotônica integrada para realizar sucessivamente a manipulação de ondas de luz infravermelha e as aplica a redes 5G de alta velocidade, sensores de chip e veículos autônomos. At present, with the continuous deepening of this research direction, researchers have begun to carry out in-depth detection of shorter visible light bands and develop more extensive applications, such as chip-level LIDAR, AR/VR/MR (enhanced/virtual/hybrid) Reality) Glasses, holographic displays, quantum processing chips, optogenetic probes implanted in the brain, etc.
A integração em larga escala dos moduladores de fase óptica é o núcleo do subsistema óptico para roteamento óptico no chip e modelagem de frente de onda de espaço livre. Essas duas funções primárias são essenciais para a realização de várias aplicações. No entanto, para os moduladores de fase ópticos na faixa de luz visível, é particularmente desafiador atender aos requisitos de alta transmitância e alta modulação ao mesmo tempo. Para atender a esse requisito, mesmo os materiais de niobato de silício e niobato de lítio mais adequados precisam aumentar o volume e o consumo de energia.
Para resolver esse problema, Michal Lipson e Nanfang Yu, da Columbia University, projetaram um modulador de fase termo-óptica de nitreto de silício com base no ressonador de micro-ring adiabático. Eles provaram que o ressonador de micro-ring opera em um forte estado de acoplamento. O dispositivo pode atingir a modulação de fase com perda mínima. Comparado com os moduladores de fase de guia de ondas comuns, o dispositivo possui pelo menos uma redução de ordem de magnitude no espaço e no consumo de energia. O conteúdo relacionado foi publicado na Nature Photonics.
Michal Lipson, um especialista líder no campo da fotônica integrada, baseada em nitreto de silício, disse: "A chave para a nossa solução proposta é usar um ressonador óptico e operar no chamado estado de acoplamento forte".
O ressonador óptico é uma estrutura altamente simétrica, que pode converter uma pequena mudança de índice de refração em uma mudança de fase através de vários ciclos de vigas de luz. Geralmente, pode ser dividido em três estados de trabalho diferentes: "em acoplamento" e "sob acoplamento". Acoplamento crítico "e" acoplamento forte ". Entre eles, "em acoplamento" pode fornecer apenas modulação de fase limitada e introduzirá alterações desnecessárias de amplitude, e o "acoplamento crítico" causará perda óptica substancial, afetando assim o desempenho real do dispositivo.
Para alcançar a modulação completa da fase 2π e a mudança mínima de amplitude, a equipe de pesquisa manipulou a microragem em um estado de "acoplamento forte". A força de acoplamento entre a microragem e o "barramento" é pelo menos dez vezes maior que a perda da microragem. Após uma série de projetos e otimização, a estrutura final é mostrada na figura abaixo. Este é um anel ressonante com uma largura cônica. A parte estreita do guia de ondas melhora a força de acoplamento óptico entre o "barramento" e o micro-bobina. A parte ampla do guia de ondas A perda de luz da microragem é reduzida reduzindo a dispersão óptica da parede lateral.
Heqing Huang, o primeiro autor do artigo, também disse: “Projetamos um modulador de fase leve visível em miniatura, economia de energia e de baixa perda com um raio de apenas 5 μm e um consumo de potência de modulação da fase π de apenas 0,8 MW. A variação de amplitude introduzida é inferior a 10%. O mais raro é que esse modulador é igualmente eficaz para as faixas azuis e verdes mais difíceis do espectro visível. ”
Nanfang Yu também apontou que, embora esteja longe de atingir o nível de integração de produtos eletrônicos, seu trabalho reduziu drasticamente a lacuna entre interruptores fotônicos e interruptores eletrônicos. "Se a tecnologia anterior do modulador permitia apenas a integração de 100 moduladores de fase de guia de ondas, dado uma certa pegada de chip e orçamento de energia, agora podemos integrar 10.000 shifters de fase no mesmo chip para obter uma função mais complexa".
Em resumo, esse método de projeto pode ser aplicado aos moduladores eletro-ópticos para reduzir o espaço ocupado e o consumo de tensão. Também pode ser usado em outros intervalos espectrais e outros projetos de ressonador diferentes. Atualmente, a equipe de pesquisa está cooperando para demonstrar o Lidar Visible Spectrum composto por matrizes de câmbio de fase com base nesses microrios. No futuro, ele também pode ser aplicado a muitas aplicações, como não linearidade óptica aprimorada, novos lasers e nova óptica quântica.
Fonte do artigo: https: //mp.weixin.qq.com/s/o6ihstkmbpqkdov4coukxa
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Hora de postagem: 29-2023 de março