In den letzten Jahren haben Forscher aus verschiedenen Ländern mithilfe integrierter Photonik sukzessive die Manipulation von Infrarotlichtwellen realisiert und sie auf Hochgeschwindigkeits-5G-Netzwerke, Chipsensoren und autonome Fahrzeuge angewendet.Mit der kontinuierlichen Vertiefung dieser Forschungsrichtung haben Forscher derzeit begonnen, eine detaillierte Erkennung kürzerer sichtbarer Lichtbänder durchzuführen und umfangreichere Anwendungen zu entwickeln, wie z. B. LIDAR auf Chipebene, AR/VR/MR (erweitert/virtuell/ (hybride) Realität) Brillen, holographische Displays, Quantenverarbeitungschips, ins Gehirn implantierte optogenetische Sonden usw.
Die groß angelegte Integration optischer Phasenmodulatoren ist der Kern des optischen Subsystems für das optische Routing auf dem Chip und die Wellenfrontformung im freien Raum.Diese beiden Hauptfunktionen sind für die Realisierung verschiedener Anwendungen unerlässlich.Bei optischen Phasenmodulatoren im sichtbaren Lichtbereich ist es jedoch eine besondere Herausforderung, die Anforderungen einer hohen Transmission und einer hohen Modulation gleichzeitig zu erfüllen.Um diese Anforderung zu erfüllen, müssen selbst die am besten geeigneten Siliziumnitrid- und Lithiumniobat-Materialien 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, der auf dem adiabatischen Mikroringresonator basiert.Sie bewiesen, dass der Mikroringresonator in einem starken Kopplungszustand arbeitet.Das Gerät kann eine Phasenmodulation mit minimalem Verlust erreichen.Im Vergleich zu gewöhnlichen Wellenleiter-Phasenmodulatoren weist das Gerät eine Reduzierung des Platzbedarfs und des Stromverbrauchs um mindestens eine Größenordnung auf.Der entsprechende Inhalt wurde in Nature Photonics veröffentlicht.
Michal Lipson, ein führender Experte auf dem Gebiet der integrierten Photonik auf Basis von Siliziumnitrid, 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 eine kleine Änderung des Brechungsindex durch mehrere Zyklen von Lichtstrahlen in eine Phasenänderung umwandeln kann.Generell lässt es sich in drei verschiedene Arbeitszustände einteilen: „unter Kopplung“ und „unter Kopplung“.Kritische Kopplung“ und „starke Kopplung“.Unter anderem kann eine „Unterkopplung“ nur eine begrenzte Phasenmodulation bereitstellen und führt zu unnötigen Amplitudenänderungen, während eine „kritische Kopplung“ erhebliche optische Verluste verursacht und dadurch die tatsächliche Leistung des Geräts beeinträchtigt.
Um eine vollständige 2π-Phasenmodulation und eine minimale Amplitudenänderung zu erreichen, manipulierte das Forschungsteam den Mikroring in einem „starken Kopplungszustand“.Die Kopplungsstärke zwischen Mikroring und „Bus“ ist mindestens zehnmal höher als der Verlust des Mikrorings.Nach einer Reihe von Entwürfen und Optimierungen ist die endgültige Struktur in der folgenden Abbildung dargestellt.Dies ist ein Resonanzring mit einer konischen Breite.Der schmale Wellenleiterteil verbessert die optische Kopplungsstärke zwischen dem „Bus“ und der Mikrospule.Der breite Wellenleiterteil Der Lichtverlust des Mikrorings wird durch Reduzierung der optischen Streuung der Seitenwand reduziert.
Heqing Huang, der Erstautor des Papiers, sagte außerdem: „Wir haben einen Miniatur-, energiesparenden und äußerst verlustarmen Phasenmodulator für sichtbares Licht mit einem Radius von nur 5 μm und einem π-Phasen-Modulationsstromverbrauch von nur 5 μm entwickelt.“ 0,8 mW.Die eingeführte Amplitudenschwankung beträgt weniger als 10 %.Was seltener ist, ist, dass dieser Modulator für die schwierigsten blauen und grünen Bänder im sichtbaren Spektrum gleichermaßen wirksam ist.“
Nanfang Yu wies auch darauf hin, dass sie zwar noch lange nicht den Grad der Integration elektronischer Produkte erreicht haben, ihre Arbeit jedoch die Kluft zwischen photonischen Schaltern und elektronischen Schaltern dramatisch verringert habe.„Während die bisherige Modulatortechnologie bei einem bestimmten Chip-Footprint und Leistungsbudget nur die Integration von 100 Wellenleiter-Phasenmodulatoren zuließ, können wir jetzt 10.000 Phasenschieber auf demselben Chip integrieren, um komplexere Funktionen zu erreichen.“
Kurz gesagt, diese Entwurfsmethode kann auf elektrooptische Modulatoren angewendet werden, um den belegten Platz und den Spannungsverbrauch zu reduzieren.Es ist auch in anderen Spektralbereichen und anderen unterschiedlichen Resonatordesigns einsetzbar.Derzeit arbeitet das Forschungsteam zusammen, um das LIDAR im sichtbaren Spektrum zu demonstrieren, das aus Phasenschieber-Arrays besteht, die auf solchen Mikroringen basieren.In Zukunft kann es auch auf viele Anwendungen angewendet werden, beispielsweise auf verbesserte optische Nichtlinearität, neue Laser und neue Quantenoptiken.
Artikelquelle:https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Zeitpunkt der Veröffentlichung: 29. März 2023