Nos últimos anos, pesquisadores de diversos países têm utilizado a fotônica integrada para manipular ondas de luz infravermelha e aplicá-las em redes 5G de alta velocidade, sensores em chips e veículos autônomos. Atualmente, com o aprofundamento contínuo dessa linha de pesquisa, os 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 óptica é o núcleo do subsistema óptico para roteamento óptico em 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 óptica na faixa da luz visível, atender simultaneamente aos requisitos de alta transmitância e alta modulação é particularmente desafiador. Para atender a esse requisito, mesmo os materiais mais adequados, como nitreto de silício e niobato de lítio, precisam ter seu volume e consumo de energia aumentados.
Para solucionar esse problema, Michal Lipson e Nanfang Yu, da Universidade de Columbia, projetaram um modulador de fase termo-óptico de nitreto de silício baseado em um microrressonador adiabático. Eles comprovaram que o microrressonador opera em um estado de forte acoplamento. O dispositivo consegue realizar a modulação de fase com perdas mínimas. Comparado aos moduladores de fase de guia de onda convencionais, o dispositivo apresenta uma redução de pelo menos uma ordem de magnitude no espaço ocupado e no consumo de energia. O conteúdo relacionado foi publicado na revista Nature Photonics.
Michal Lipson, um dos principais especialistas na área de fotônica integrada baseada em nitreto de silício, afirmou: "A chave da nossa solução proposta é usar um ressonador óptico e operar em um chamado estado de acoplamento forte."
O ressonador óptico é uma estrutura altamente simétrica, capaz de converter uma pequena variação no índice de refração em uma mudança de fase através de múltiplos ciclos de feixes de luz. Geralmente, ele pode ser dividido em três estados de operação distintos: “subacoplamento”, “acoplamento crítico” e “acoplamento forte”. Dentre eles, o “subacoplamento” proporciona apenas uma modulação de fase limitada e introduz alterações de amplitude desnecessárias, enquanto o “acoplamento crítico” causa perdas ópticas substanciais, afetando o desempenho real do dispositivo.
Para alcançar modulação de fase completa de 2π e variação mínima de amplitude, a equipe de pesquisa manipulou o microrresonador em um estado de "acoplamento forte". A intensidade do acoplamento entre o microrresonador e o "barramento" é pelo menos dez vezes maior que a perda do microrresonador. Após uma série de projetos e otimizações, a estrutura final é mostrada na figura abaixo. Trata-se de um anel ressonante com largura variável. A parte estreita da guia de onda melhora a intensidade do acoplamento óptico entre o "barramento" e a microbobina. A parte larga da guia de onda reduz a perda de luz do microrresonador, diminuindo a dispersão óptica da parede lateral.
Heqing Huang, o primeiro autor do artigo, também afirmou: “Projetamos um modulador de fase de luz visível miniaturizado, econômico em energia e com perdas extremamente baixas, com um raio de apenas 5 μm e um consumo de energia para modulação de fase π de apenas 0,8 mW. A variação de amplitude introduzida é inferior a 10%. O que é ainda mais raro é que este modulador é igualmente eficaz para as bandas azul e verde, as mais difíceis de modular no espectro visível.”
Nanfang Yu também destacou que, embora ainda estejam longe de alcançar o nível de integração de produtos eletrônicos, seu trabalho reduziu drasticamente a lacuna entre interruptores fotônicos e interruptores eletrônicos. "Se a tecnologia de modulação anterior permitia apenas a integração de 100 moduladores de fase de guia de onda, dado um determinado tamanho de chip e orçamento de energia, agora podemos integrar 10.000 moduladores de fase no mesmo chip para obter funções mais complexas."
Em resumo, esse 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 diferentes. Atualmente, a equipe de pesquisa está colaborando para demonstrar um LIDAR de espectro visível composto por matrizes de deslocadores de fase baseadas nesses microrresonadores. No futuro, poderá ser aplicado em diversas áreas, como aprimoramento da não linearidade óptica, novos lasers e novas tecnologias de óptica quântica.
Fonte do artigo: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Data da publicação: 29/03/2023