Az elmúlt években különböző országok kutatói integrált fotonikát alkalmaztak az infravörös fényhullámok manipulálására, és alkalmazták azokat nagysebességű 5G hálózatokban, chipszenzorokban és önvezető járművekben. Jelenleg, a kutatási irány folyamatos elmélyülésével, a kutatók elkezdték a rövidebb látható fénysávok mélyreható detektálását, és kiterjedtebb alkalmazásokat fejlesztettek ki, mint például a chip szintű LIDAR, az AR/VR/MR (továbbfejlesztett/virtuális/hibrid) valóságszemüvegek, a holografikus kijelzők, a kvantumfeldolgozó chipek, az agyba ültetett optogenetikus szondák stb.
Az optikai fázismodulátorok nagyléptékű integrációja képezi az optikai alrendszer magját a chipre integrált optikai útvonaltervezéshez és a szabadtérbeli hullámfront-alakításhoz. Ez a két elsődleges funkció elengedhetetlen a különféle alkalmazások megvalósításához. A látható fény tartományában lévő optikai fázismodulátorok esetében azonban különösen nagy kihívást jelent a nagy áteresztőképesség és a nagy moduláció követelményeinek egyidejű kielégítése. Ennek a követelménynek a teljesítéséhez még a legmegfelelőbb szilícium-nitrid és lítium-niobát anyagoknak is növelniük kell a térfogatot és az energiafogyasztást.
A probléma megoldására Michal Lipson és Nanfang Yu, a Columbia Egyetem munkatársai egy szilícium-nitrid termooptikai fázismodulátort terveztek, amely az adiabatikus mikrogyűrű-rezonátoron alapul. Bebizonyították, hogy a mikrogyűrű-rezonátor erős csatolási állapotban működik. Az eszköz minimális veszteséggel képes fázismodulációt elérni. A hagyományos hullámvezető fázismodulátorokhoz képest az eszköz legalább egy nagyságrenddel kisebb helyet és energiafogyasztást kínál. A kapcsolódó tartalom a Nature Photonics folyóiratban jelent meg.
Michal Lipson, a szilícium-nitriden alapuló integrált fotonika területének vezető szakértője elmondta: „A javasolt megoldásunk kulcsa egy optikai rezonátor használata és az úgynevezett erős csatolási állapotban való működés.”
Az optikai rezonátor egy erősen szimmetrikus szerkezet, amely több fénynyaláb-cikluson keresztül képes egy kis törésmutató-változást fázisváltozássá alakítani. Általában három különböző működési állapotra osztható: „alulcsatolt” és „alulcsatolt”, „kritikus csatolás” és „erős csatolás”. Ezek közül az „alulcsatolt” csak korlátozott fázismodulációt biztosít, és szükségtelen amplitúdóváltozásokat okoz, a „kritikus csatolás” pedig jelentős optikai veszteséget okoz, ezáltal befolyásolva az eszköz tényleges teljesítményét.
A teljes 2π fázismoduláció és a minimális amplitúdóváltozás elérése érdekében a kutatócsoport „erős csatolású” állapotban manipulálta a mikrogyűrűt. A mikrogyűrű és a „busz” közötti csatolási erősség legalább tízszerese a mikrogyűrű veszteségének. Egy sor tervezés és optimalizálás után a végső szerkezet az alábbi ábrán látható. Ez egy kúpos szélességű rezonáns gyűrű. A keskeny hullámvezető rész javítja az optikai csatolási erősséget a „busz” és a mikrotekercs között. A széles hullámvezető rész A mikrogyűrű fényveszteségét az oldalfal optikai szórásának csökkentésével csökkentik.
Heqing Huang, a tanulmány első szerzője a következőket mondta: „Tervezettünk egy miniatűr, energiatakarékos és rendkívül alacsony veszteségű látható fény fázismodulátort, amelynek sugara mindössze 5 μm, π-fázisú modulációs energiafogyasztása pedig mindössze 0,8 mW. A bevezetett amplitúdóváltozás kevesebb, mint 10%. Ami még ritkább, hogy ez a modulátor ugyanolyan hatékony a látható spektrum legnehezebben kezelhető kék és zöld sávjaiban is.”
Nanfang Yu azt is kiemelte, hogy bár messze vannak az elektronikus termékek integrációjának szintjétől, munkájuk drámaian csökkentette a fotonikus kapcsolók és az elektronikus kapcsolók közötti szakadékot. „Ha a korábbi modulátortechnológia csak 100 hullámvezető fázismodulátor integrálását tette lehetővé egy bizonyos chipméret és energiaköltségvetés mellett, akkor most 10 000 fázistolót integrálhatunk ugyanazon a chipen, hogy összetettebb funkciókat érjünk el.”
Röviden, ez a tervezési módszer elektrooptikai modulátorokra alkalmazható a felhasznált tér és a feszültségfogyasztás csökkentése érdekében. Más spektrális tartományokban és más különböző rezonátorkialakításokban is használható. Jelenleg a kutatócsoport együttműködik az ilyen mikrogyűrűkön alapuló fázistoló tömbökből álló látható spektrumú LIDAR demonstrálásán. A jövőben számos alkalmazásban is alkalmazható lesz, például a fokozott optikai nemlinearitás, az új lézerek és az új kvantumoptika területén.
Cikk forrása: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
A kínai „Szilícium-völgyben” – Peking Zhongguancunban – található Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd. egy high-tech vállalat, amely hazai és külföldi kutatóintézetek, kutatóintézetek, egyetemek és vállalati tudományos kutatók kiszolgálására specializálódott. Cégünk főként optoelektronikai termékek független kutatásával és fejlesztésével, tervezésével, gyártásával és értékesítésével foglalkozik, valamint innovatív megoldásokat és professzionális, személyre szabott szolgáltatásokat nyújt tudományos kutatók és ipari mérnökök számára. Évekig tartó független innováció után gazdag és tökéletes fotoelektromos termékek sorozatát hozta létre, amelyeket széles körben használnak az önkormányzati, katonai, közlekedési, villamosenergia-, pénzügyi, oktatási, orvosi és más iparágakban.
Várjuk az együttműködést!
Közzététel ideje: 2023. márc. 29.