In den letzten Jahren haben Forscher aus verschiedenen Ländern mithilfe integrierter Photonik die Manipulation von Infrarotlichtwellen sukzessive realisiert und diese auf Hochgeschwindigkeits-5G-Netze, Chipsensoren und autonome Fahrzeuge angewendet. Mit der kontinuierlichen Vertiefung dieser Forschungsrichtung haben Forscher begonnen, kürzere sichtbare Lichtbänder eingehender zu erfassen und umfassendere Anwendungen zu entwickeln, wie z. B. Chip-Level-LIDAR, AR/VR/MR-Brillen (erweiterte/virtuelle/hybride Realität), holografische Displays, Quantenverarbeitungschips, ins Gehirn implantierte optogenetische Sonden usw.
Die hochintegrierte optische Phasenmodulatortechnologie bildet den Kern des optischen Subsystems für die optische On-Chip-Routing- und Freiraum-Wellenfrontformung. Diese beiden Hauptfunktionen sind für die Realisierung verschiedener Anwendungen unerlässlich. Bei optischen Phasenmodulatoren im sichtbaren Lichtbereich ist es jedoch besonders schwierig, die Anforderungen an hohe Transmission und hohe Modulation gleichzeitig zu erfüllen. Selbst die geeignetsten Siliziumnitrid- und Lithiumniobat-Materialien erfordern hierfür ein höheres Volumen und einen höheren Stromverbrauch.
Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Michal Lipson und Nanfang Yu von der Columbia University einen thermooptischen Phasenmodulator aus Siliziumnitrid auf Basis eines adiabatischen Mikroringresonators. Sie wiesen nach, dass der Mikroringresonator in einem stark gekoppelten Zustand arbeitet. Das Gerät ermöglicht eine Phasenmodulation mit minimalen Verlusten. Im Vergleich zu herkömmlichen Wellenleiter-Phasenmodulatoren benötigt das Gerät mindestens eine Größenordnung weniger Platz und verbraucht weniger Strom. Der zugehörige Artikel wurde 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 Lichtzyklen eine kleine Änderung des Brechungsindex in eine Phasenänderung umwandeln kann. Generell kann er in drei verschiedene Betriebszustände unterteilt werden: „Unterkopplung“ und „Unterkopplung“, „Kritische Kopplung“ und „Starke Kopplung“. Unterkopplung ermöglicht nur eine eingeschränkte Phasenmodulation und führt zu unnötigen Amplitudenänderungen, während „Kritische Kopplung“ erhebliche optische Verluste verursacht und somit die Leistung des Geräts beeinträchtigt.
Um eine vollständige 2π-Phasenmodulation und minimale Amplitudenänderung zu erreichen, manipulierte das Forschungsteam den Mikroring in einen Zustand starker Kopplung. Die Kopplungsstärke zwischen Mikroring und Bus ist mindestens zehnmal höher als der Verlust des Mikrorings. Nach einer Reihe von Design- und Optimierungsschritten ist die endgültige Struktur in der folgenden Abbildung dargestellt. Es handelt sich um einen Resonanzring mit sich verjüngender Breite. Der schmale Wellenleiterteil verbessert die optische Kopplungsstärke zwischen Bus und Mikrospule. Der breite Wellenleiterteil reduziert den Lichtverlust des Mikrorings durch die Reduzierung der optischen Streuung an der Seitenwand.
Heqing Huang, der Erstautor der Studie, erklärte: „Wir haben einen winzigen, energiesparenden und extrem verlustarmen Phasenmodulator für sichtbares Licht mit einem Radius von nur 5 μm und einem π-Phasenmodulations-Leistungsverbrauch von nur 0,8 mW entwickelt. Die Amplitudenvariation beträgt weniger als 10 %. Besonders bemerkenswert ist, dass dieser Modulator für die schwierigsten blauen und grünen Bänder des sichtbaren Spektrums gleichermaßen effektiv ist.“
Nanfang Yu wies außerdem darauf hin, dass sie zwar noch weit vom Integrationsgrad elektronischer Produkte entfernt seien, ihre Arbeit aber die Lücke zwischen photonischen und elektronischen Schaltern deutlich verringert habe. „Während die bisherige Modulatortechnologie bei einem bestimmten Chip-Footprint und Leistungsbudget nur die Integration von 100 Wellenleiter-Phasenmodulatoren erlaubte, können wir jetzt 10.000 Phasenschieber auf demselben Chip integrieren und so komplexere Funktionen erreichen.“
Kurz gesagt: Diese Designmethode kann auf elektrooptische Modulatoren angewendet werden, um Platzbedarf und Spannungsverbrauch zu reduzieren. Sie ist auch in anderen Spektralbereichen und anderen Resonatordesigns einsetzbar. Derzeit arbeitet das Forschungsteam an der Demonstration eines LIDAR im sichtbaren Spektrum, das aus Phasenschieber-Arrays auf Basis solcher Mikroringe besteht. Zukünftig kann sie auch für viele Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise für verbesserte optische Nichtlinearität, neue Laser und neue Quantenoptik.
Artikelquelle:https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Veröffentlichungszeit: 29. März 2023