Negli ultimi anni, ricercatori di diversi paesi hanno utilizzato la fotonica integrata per realizzare progressivamente la manipolazione delle onde luminose infrarosse e applicarla a reti 5G ad alta velocità, sensori su chip e veicoli autonomi. Attualmente, con il continuo approfondimento di questa direzione di ricerca, i ricercatori hanno iniziato a effettuare rilevamenti approfonditi di bande di luce visibile più corte e a sviluppare applicazioni più estese, come LIDAR a livello di chip, occhiali per realtà aumentata/virtuale/ibrida (AR/VR/MR), display olografici, chip di elaborazione quantistica, sonde optogenetiche impiantate nel cervello, ecc.
L'integrazione su larga scala dei modulatori ottici di fase è il cuore del sottosistema ottico per il routing ottico on-chip e la modellazione del fronte d'onda nello spazio libero. Queste due funzioni primarie sono essenziali per la realizzazione di diverse applicazioni. Tuttavia, per i modulatori ottici di fase nella gamma della luce visibile, è particolarmente impegnativo soddisfare contemporaneamente i requisiti di elevata trasmittanza e alta modulazione. Per soddisfare questo requisito, anche i materiali più adatti in nitruro di silicio e niobato di litio devono aumentare il volume e il consumo energetico.
Per risolvere questo problema, Michal Lipson e Nanfang Yu della Columbia University hanno progettato un modulatore di fase termo-ottico in nitruro di silicio basato sul risonatore adiabatico a micro-anello. Hanno dimostrato che il risonatore a micro-anello opera in uno stato di forte accoppiamento. Il dispositivo può ottenere la modulazione di fase con perdite minime. Rispetto ai normali modulatori di fase a guida d'onda, il dispositivo presenta una riduzione di almeno un ordine di grandezza in termini di spazio e consumo energetico. I contenuti correlati sono stati pubblicati su Nature Photonics.
Michal Lipson, uno dei massimi esperti nel campo della fotonica integrata basata sul nitruro di silicio, ha affermato: "La chiave della soluzione da noi proposta è utilizzare un risonatore ottico e operare in un cosiddetto stato di accoppiamento forte".
Il risonatore ottico è una struttura altamente simmetrica, in grado di convertire una piccola variazione dell'indice di rifrazione in una variazione di fase attraverso molteplici cicli di fasci di luce. Generalmente, può essere suddiviso in tre diversi stati di funzionamento: "sotto accoppiamento" e "sotto accoppiamento", "accoppiamento critico" e "accoppiamento forte". Tra questi, il "sotto accoppiamento" può fornire solo una modulazione di fase limitata e introdurrà variazioni di ampiezza non necessarie, mentre l'"accoppiamento critico" causerà una perdita ottica sostanziale, compromettendo così le prestazioni effettive del dispositivo.
Per ottenere una modulazione di fase 2π completa e una variazione di ampiezza minima, il team di ricerca ha manipolato il microanello in uno stato di "accoppiamento forte". La forza di accoppiamento tra il microanello e il "bus" è almeno dieci volte superiore alla perdita del microanello. Dopo una serie di progettazioni e ottimizzazioni, la struttura finale è mostrata nella figura sottostante. Si tratta di un anello risonante con una larghezza rastremata. La parte stretta della guida d'onda migliora la forza di accoppiamento ottico tra il "bus" e la microbobina. La parte larga della guida d'onda La perdita di luce del microanello viene ridotta riducendo la diffusione ottica della parete laterale.
Heqing Huang, il primo autore dell'articolo, ha inoltre affermato: "Abbiamo progettato un modulatore di fase della luce visibile miniaturizzato, a basso consumo energetico e a bassissima perdita, con un raggio di soli 5 μm e un consumo energetico in modulazione di fase π di soli 0,8 mW. La variazione di ampiezza introdotta è inferiore al 10%. Ciò che è ancora più raro è che questo modulatore sia ugualmente efficace per le bande blu e verde più difficili dello spettro visibile".
Nanfang Yu ha anche sottolineato che, sebbene siano ben lontani dal raggiungere il livello di integrazione dei prodotti elettronici, il loro lavoro ha drasticamente ridotto il divario tra interruttori fotonici e interruttori elettronici. "Se la precedente tecnologia dei modulatori consentiva l'integrazione di soli 100 modulatori di fase a guida d'onda, dato un certo ingombro del chip e un determinato budget energetico, ora possiamo integrare 10.000 sfasatori sullo stesso chip per ottenere funzioni più complesse."
In breve, questo metodo di progettazione può essere applicato ai modulatori elettro-ottici per ridurre lo spazio occupato e il consumo di tensione. Può essere utilizzato anche in altri intervalli spettrali e in altri progetti di risonatori. Attualmente, il team di ricerca sta collaborando per dimostrare il funzionamento del LIDAR nello spettro visibile composto da array di sfasatori basati su tali microanelli. In futuro, potrà essere applicato anche a numerose applicazioni, come la non linearità ottica migliorata, nuovi laser e la nuova ottica quantistica.
Fonte dell'articolo: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Data di pubblicazione: 29 marzo 2023