Nos últimos anos, investigadores de vários países têm utilizado a fotónica integrada para realizar sucessivamente a manipulação das ondas de luz infravermelha e aplicá-las a redes 5G de alta velocidade, sensores de chip e veículos autónomos.Atualmente, com o aprofundamento contínuo desta direção de pesquisa, os pesquisadores começaram a realizar a detecção em profundidade de bandas de luz visível mais curtas e a desenvolver aplicações mais extensas, como LIDAR em nível de chip, AR/VR/MR (aprimorado/virtual/ híbrido) Realidade) Óculos, 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 no chip e modelagem de frente de onda em espaço livre.Essas duas funções principais são essenciais para a realização de diversas aplicações.No entanto, para moduladores de fase óptica 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 mais adequados de nitreto de silício e niobato de lítio precisam aumentar o volume e o consumo de energia.
Para resolver este problema, Michal Lipson e Nanfang Yu, da Universidade de Columbia, projetaram um modulador de fase termo-óptica de nitreto de silício baseado no ressonador de micro-anel adiabático.Eles provaram que o ressonador de microanel opera em um estado de acoplamento forte.O dispositivo pode obter modulação de fase com perda mínima.Comparado com moduladores de fase de guia de ondas comuns, o dispositivo tem uma redução de pelo menos uma ordem de grandeza 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 a 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 no índice de refração em uma mudança de fase através de múltiplos ciclos de feixes de luz.Geralmente, pode ser dividido em três estados de trabalho diferentes: “sob acoplamento” e “sob acoplamento”.Acoplamento crítico” e “acoplamento forte”.Entre eles, o “sob acoplamento” só pode fornecer 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 obter modulação de fase 2π completa e mudança mínima 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.Este é um anel ressonante com largura cônica.A parte estreita do guia de ondas melhora a força do acoplamento óptico entre o “barramento” e a microbobina.A parte larga do guia de ondas A perda de luz do microanel é reduzida pela redução do espalhamento óptico da parede lateral.
Heqing Huang, o primeiro autor do artigo, também disse: “Projetamos um modulador de fase de luz visível em miniatura, com economia de energia e perda extremamente baixa, 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 que é mais raro é que este modulador é igualmente eficaz para as bandas azuis e verdes mais difíceis do espectro visível.”
Nanfang Yu também destacou que, embora estejam longe de atingir o nível de integração dos produtos eletrônicos, seu trabalho reduziu drasticamente a lacuna entre os interruptores fotônicos e os interruptores eletrônicos.“Se a tecnologia de modulador anterior permitia apenas a integração de 100 moduladores de fase de guia de ondas, dada uma certa pegada de chip e orçamento de energia, agora podemos integrar 10.000 deslocadores de fase no mesmo chip para obter funções mais complexas.”
Resumindo, este método de projeto pode ser aplicado a moduladores eletro-ópticos para reduzir o espaço ocupado e o consumo de tensão.Ele também pode ser usado em outras faixas espectrais e em outros designs diferentes de ressonadores.Atualmente, a equipe de pesquisa está cooperando para demonstrar o espectro visível LIDAR composto por matrizes de mudança de fase baseadas em tais microanéis.No futuro, também poderá 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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Horário da postagem: 29 de março de 2023