Nos últimos anos, pesquisadores de diversos países têm utilizado a fotônica integrada para realizar sucessivamente a manipulação de ondas de luz infravermelha e aplicá-las a redes 5G de alta velocidade, sensores de chip e veículos autônomos. Atualmente, com o aprofundamento contínuo dessa linha de pesquisa, pesquisadores começaram a realizar a detecção em profundidade de faixas de luz visível mais curtas e a desenvolver aplicações mais abrangentes, como LIDAR em nível de chip, óculos de realidade aumentada/virtual/híbrida (AR/VR/MR), displays holográficos, chips de processamento quântico, sondas optogenéticas implantadas no cérebro, etc.
A integração em larga escala de moduladores de fase ópticos é o núcleo do subsistema óptico para roteamento óptico on-chip e modelagem de frente de onda em espaço livre. Essas duas funções primárias são essenciais para a realização de diversas aplicações. No entanto, para moduladores de fase ópticos na faixa de luz visível, é particularmente desafiador atender aos requisitos de alta transmitância e alta modulação simultaneamente. Para atender a esse requisito, mesmo os materiais de nitreto 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 Universidade de Columbia, projetaram um modulador de fase termo-óptico de nitreto de silício baseado no ressonador de microanel adiabático. Eles comprovaram que o ressonador de microanel opera em um estado de acoplamento forte. O dispositivo pode atingir a modulação de fase com perdas mínimas. Comparado aos moduladores de fase de guia de onda comuns, o dispositivo apresenta uma redução de pelo menos uma ordem de magnitude no espaço e no consumo de energia. O conteúdo relacionado foi publicado na Nature Photonics.
Michal Lipson, um dos principais especialistas na área de fotônica integrada, baseada em nitreto de silício, disse: “A chave para nossa solução proposta é usar um ressonador óptico e operar no chamado estado de acoplamento forte”.
O ressonador óptico é uma estrutura altamente simétrica, capaz de converter uma pequena mudança no índice de refração em uma mudança de fase por meio de múltiplos ciclos de feixes de luz. Geralmente, ele pode ser dividido em três estados de operação diferentes: "subacoplamento" e "subacoplamento". "Acoplamento crítico" e "acoplamento forte". Entre eles, o "subacoplamento" fornece apenas modulação de fase limitada e introduz mudanças de amplitude desnecessárias, enquanto o "acoplamento crítico" causa perdas ópticas substanciais, afetando assim o desempenho real do dispositivo.
Para alcançar a modulação de fase 2π completa e a mínima variação de amplitude, a equipe de pesquisa manipulou o microanel em um estado de "acoplamento forte". A força de acoplamento entre o microanel e o "barramento" é pelo menos dez vezes maior que a perda do microanel. Após uma série de projetos e otimizações, a estrutura final é mostrada na figura abaixo. Trata-se de um anel ressonante com largura cônica. A parte estreita do guia de onda melhora a força de acoplamento óptico entre o "barramento" e a microbobina. A parte larga do guia de onda reduz a perda de luz do microanel, reduzindo o espalhamento óptico da parede lateral.
Heqing Huang, o primeiro autor do artigo, também afirmou: “Projetamos um modulador de fase de luz visível em miniatura, com economia de energia e baixíssima perda, com um raio de apenas 5 μm e um consumo de energia de modulação de fase π de apenas 0,8 mW. A variação de amplitude introduzida é inferior a 10%. O mais raro é que este modulador seja igualmente eficaz para as faixas azul e verde mais difíceis do espectro visível.”
Nanfang Yu também destacou que, embora estejam longe de atingir o nível de integração de produtos eletrônicos, seu trabalho reduziu drasticamente a lacuna entre os interruptores fotônicos e os interruptores eletrônicos. "Se a tecnologia de modulação anterior permitia apenas a integração de 100 moduladores de fase de guia de onda, considerando um determinado tamanho de chip e um orçamento de energia, agora podemos integrar 10.000 deslocadores de fase no mesmo chip para obter funções mais complexas."
Em resumo, este método de projeto pode ser aplicado a moduladores eletro-ópticos para reduzir o espaço ocupado e o consumo de tensão. Também pode ser usado em outras faixas espectrais e em outros projetos de ressonadores. Atualmente, a equipe de pesquisa está cooperando para demonstrar o LIDAR de espectro visível composto por matrizes de defasadores baseadas nesses microanéis. No futuro, também poderá ser aplicado a diversas 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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Horário da publicação: 29/03/2023