Negli ultimi anni, ricercatori di vari paesi hanno utilizzato la fotonica integrata per realizzare successivamente la manipolazione delle onde luminose a infrarossi e applicarle a reti 5G ad alta velocità, sensori di 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, AR/VR/MR (enhanced/virtual/ ibrido) Realtà) Occhiali, display olografici, chip di elaborazione quantistica, sonde optogenetiche impiantate nel cervello, ecc.
L'integrazione su larga scala dei modulatori di fase ottici è il nucleo del sottosistema ottico per l'instradamento ottico su 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 di fase ottici nella gamma della luce visibile, è particolarmente difficile soddisfare contemporaneamente i requisiti di elevata trasmittanza e alta modulazione. Per soddisfare questo requisito, anche i materiali più adatti al nitruro di silicio e al 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 al nitruro di silicio basato sul risonatore adiabatico a microanello. Hanno dimostrato che il risonatore a microanello funziona in uno stato di accoppiamento forte. Il dispositivo può ottenere la modulazione di fase con una perdita minima. Rispetto ai normali modulatori di fase a guida d'onda, il dispositivo presenta una riduzione di almeno un ordine di grandezza nello spazio e nel consumo energetico. Il contenuto correlato è stato pubblicato su Nature Photonics.
Michal Lipson, uno dei massimi esperti nel campo della fotonica integrata, basata sul nitruro di silicio, ha dichiarato: “La chiave della soluzione proposta è utilizzare un risonatore ottico e operare in un cosiddetto stato di accoppiamento forte”.
Il risonatore ottico è una struttura altamente simmetrica, che può convertire una piccola variazione dell'indice di rifrazione in una variazione di fase attraverso più cicli di raggi luminosi. Generalmente può essere suddiviso in tre diversi stati di funzionamento: “sotto accoppiamento” e “sotto accoppiamento”. Accoppiamento critico” e “accoppiamento forte”. Tra questi, il "sottoaccoppiamento" può fornire solo una modulazione di fase limitata e introdurrà modifiche di ampiezza non necessarie, mentre l'"accoppiamento critico" causerà una sostanziale perdita ottica, influenzando così le prestazioni effettive del dispositivo.
Per ottenere una modulazione di fase 2π completa e un cambiamento minimo di ampiezza, il gruppo di ricerca ha manipolato il microanello in uno stato di “forte accoppiamento”. 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 seguente. Questo è 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 dispersione ottica della parete laterale.
Heqing Huang, il primo autore dell’articolo, ha anche affermato: “Abbiamo progettato un modulatore di fase della luce visibile miniaturizzato, a risparmio energetico e con perdite estremamente basse, con un raggio di soli 5 μm e un consumo energetico di modulazione di fase π di soli 0,8 mW. La variazione di ampiezza introdotta è inferiore al 10%. La cosa più rara è che questo modulatore è ugualmente efficace per le bande blu e verdi più difficili nello spettro visibile."
Nanfang Yu ha anche sottolineato che, sebbene siano lontani dal raggiungere il livello di integrazione dei prodotti elettronici, il loro lavoro ha ridotto drasticamente il divario tra gli interruttori fotonici e quelli elettronici. "Se la precedente tecnologia di modulazione consentiva solo l'integrazione di 100 modulatori di fase a guida d'onda, dati un determinato ingombro del chip e un determinato budget di potenza, 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 altre gamme spettrali e altri diversi modelli di risonatore. Attualmente, il gruppo di ricerca sta collaborando per dimostrare lo spettro visibile LIDAR composto da array di sfasatori basati su tali microanelli. In futuro, potrà essere applicato anche a molte applicazioni come la non linearità ottica migliorata, nuovi laser e nuova ottica quantistica.
Fonte dell'articolo: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Orario di pubblicazione: 29 marzo 2023