In den letzten Jahren haben Forscher verschiedener Länder mithilfe integrierter Photonik Infrarotlichtwellen manipuliert und in Hochgeschwindigkeits-5G-Netzen, Chip-Sensoren und autonomen Fahrzeugen eingesetzt. Mit der fortschreitenden Vertiefung dieses Forschungsbereichs konzentrieren sich Wissenschaftler nun auf die detaillierte Untersuchung kürzerer Spektralbänder des sichtbaren Lichts und entwickeln weitergehende Anwendungen wie Chip-LIDAR, AR/VR/MR-Brillen (Enhanced Reality, Virtual Reality, Hybrid Reality), holografische Displays, Quantenprozessoren und im Gehirn implantierbare optogenetische Sonden.
Die großflächige Integration optischer Phasenmodulatoren bildet den Kern des optischen Subsystems für die optische Signalverarbeitung auf einem Chip und die Wellenfrontformung im freien Raum. Diese beiden Hauptfunktionen sind für die Realisierung verschiedener Anwendungen unerlässlich. Allerdings ist es bei optischen Phasenmodulatoren im sichtbaren Lichtbereich besonders schwierig, gleichzeitig hohe Transmission und hohe Modulation zu erreichen. Um diese Anforderung zu erfüllen, müssen selbst die geeignetsten Materialien wie Siliziumnitrid und Lithiumniobat das Volumen und den Stromverbrauch erhöhen.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Michal Lipson und Nanfang Yu von der Columbia University einen thermooptischen Phasenmodulator aus Siliziumnitrid, basierend auf einem adiabatischen Mikro-Ringresonator. Sie wiesen nach, dass der Mikro-Ringresonator in einem Zustand starker Kopplung arbeitet. Das Bauelement ermöglicht eine Phasenmodulation mit minimalen Verlusten. Verglichen mit herkömmlichen Wellenleiter-Phasenmodulatoren reduziert es den Platzbedarf und den Stromverbrauch um mindestens eine Größenordnung. Die Ergebnisse wurden in Nature Photonics veröffentlicht.
Michal Lipson, ein führender Experte auf dem Gebiet der integrierten Photonik auf Siliziumnitridbasis, sagte: „Der Schlüssel zu unserer vorgeschlagenen Lösung liegt in der Verwendung eines optischen Resonators und dem Betrieb in einem sogenannten starken Kopplungszustand.“
Der optische Resonator ist eine hochsymmetrische Struktur, die durch mehrere Lichtstrahlzyklen eine kleine Brechungsindexänderung in eine Phasenänderung umwandeln kann. Er lässt sich im Allgemeinen in drei Betriebszustände unterteilen: „Unterkopplung“, „kritische Kopplung“ und „starke Kopplung“. Im Zustand „Unterkopplung“ ist die Phasenmodulation begrenzt und es treten unerwünschte Amplitudenänderungen auf, während im Zustand „kritische Kopplung“ erhebliche optische Verluste entstehen, die die tatsächliche Leistungsfähigkeit des Bauelements beeinträchtigen.
Um eine vollständige 2π-Phasenmodulation und minimale Amplitudenänderung zu erreichen, manipulierte das Forschungsteam den Mikroresonator in einem Zustand starker Kopplung. Die Kopplungsstärke zwischen Mikroresonator und „Bus“ ist mindestens zehnmal höher als die Verluste des Mikroresonators. Nach mehreren Design- und Optimierungsphasen ist die finale Struktur in der Abbildung unten dargestellt. Es handelt sich um einen Resonanzring mit sich verjüngender Breite. Der schmale Wellenleiterabschnitt verbessert die optische Kopplungsstärke zwischen „Bus“ und Mikrospule. Der breite Wellenleiterabschnitt reduziert die Lichtverluste des Mikroresonators durch Verringerung der optischen Streuung an den Seitenwänden.
Heqing Huang, Erstautor der Studie, erklärte außerdem: „Wir haben einen miniaturisierten, energiesparenden und extrem verlustarmen Phasenmodulator für sichtbares Licht mit einem Radius von nur 5 μm und einer Leistungsaufnahme von lediglich 0,8 mW für die π-Phasenmodulation entwickelt. Die eingeführte Amplitudenänderung beträgt weniger als 10 %. Besonders bemerkenswert ist, dass dieser Modulator auch für die schwierigsten blauen und grünen Spektralbereiche des sichtbaren Spektrums gleichermaßen effektiv ist.“
Nanfang Yu wies zudem darauf hin, dass ihre Arbeit, obwohl sie noch weit von der Integration elektronischer Produkte entfernt seien, die Kluft zwischen photonischen und elektronischen Schaltern deutlich verringert habe. „Während die bisherige Modulatortechnologie bei gegebener Chipgröße und Leistungsaufnahme nur die Integration von 100 Wellenleiterphasenmodulatoren ermöglichte, können wir nun 10.000 Phasenschieber auf demselben Chip integrieren und so komplexere Funktionen realisieren.“
Kurz gesagt, lässt sich diese Designmethode auf elektrooptische Modulatoren anwenden, um Platzbedarf und Spannungsaufnahme zu reduzieren. Sie ist auch auf andere Spektralbereiche und Resonatordesigns übertragbar. Derzeit arbeitet das Forschungsteam an der Entwicklung eines LIDAR-Systems für das sichtbare Spektrum, das auf Phasenschieber-Arrays basierend auf solchen Mikroringen beruht. Zukünftig bietet die Methode vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der optischen Nichtlinearitätssteigerung, bei neuartigen Lasern und in der Quantenoptik.
Artikelquelle: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Veröffentlichungsdatum: 29. März 2023