Negli ultimi anni, ricercatori di diversi paesi hanno utilizzato la fotonica integrata per realizzare progressivamente la manipolazione delle onde luminose infrarosse e applicarle alle reti 5G ad alta velocità, ai sensori su chip e ai veicoli autonomi. Attualmente, con il continuo approfondimento di questa direzione di ricerca, i ricercatori hanno iniziato a effettuare un rilevamento più approfondito di bande di luce visibile più corte e a sviluppare applicazioni più ampie, come LIDAR a livello di chip, occhiali per realtà aumentata/virtuale/ibrida (AR/VR/MR), display olografici, chip per l'elaborazione quantistica, sonde optogenetiche impiantabili nel cervello, ecc.
L'integrazione su larga scala dei modulatori di fase ottici è il fulcro 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 tale requisito, anche i materiali più adatti, come il nitruro di silicio e il niobato di litio, richiedono un aumento di volume e 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 su un risonatore a microanello adiabatico. Hanno dimostrato che il risonatore a microanello opera in uno stato di forte accoppiamento. Il dispositivo può realizzare 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. 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 affermato: "La chiave della nostra soluzione proposta risiede nell'utilizzo di un risonatore ottico e nel funzionamento 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 cicli multipli di fasci luminosi. Generalmente, può essere suddiviso in tre diversi stati di funzionamento: "sottoaccoppiamento", "accoppiamento critico" e "accoppiamento forte". Tra questi, il "sottoaccoppiamento" fornisce solo una modulazione di fase limitata e introduce variazioni di ampiezza non necessarie, mentre l'"accoppiamento critico" causa perdite ottiche sostanziali, influenzando quindi le prestazioni effettive del dispositivo.
Per ottenere una modulazione di fase completa di 2π e una variazione di ampiezza minima, il team di ricerca ha manipolato il microring in uno stato di "accoppiamento forte". La forza di accoppiamento tra il microring e il "bus" è almeno dieci volte superiore alla perdita del microring. Dopo una serie di progetti e ottimizzazioni, la struttura finale è mostrata nella figura sottostante. Si tratta di un anello risonante con larghezza conica. 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 riduce la perdita di luce del microring diminuendo la diffusione ottica della parete laterale.
Heqing Huang, primo autore dell'articolo, ha inoltre affermato: "Abbiamo progettato un modulatore di fase per luce visibile miniaturizzato, a basso consumo energetico e con perdite estremamente ridotte, con un raggio di soli 5 μm e un consumo di potenza per la modulazione di fase π di soli 0,8 mW. La variazione di ampiezza introdotta è inferiore al 10%. La cosa ancora più rara è che questo modulatore è ugualmente efficace per le bande blu e verde, le più difficili da gestire, dello spettro visibile."
Nanfang Yu ha inoltre sottolineato che, sebbene siano ancora lontani dal raggiungere il livello di integrazione dei prodotti elettronici, il loro lavoro ha ridotto drasticamente il divario tra interruttori fotonici e interruttori elettronici. "Se la precedente tecnologia di modulazione consentiva l'integrazione di soli 100 modulatori di fase a guida d'onda, dato un certo ingombro del chip e un determinato budget di potenza, ora possiamo integrare 10.000 sfasatori sullo stesso chip per ottenere funzioni più complesse."
In sintesi, questo metodo di progettazione può essere applicato ai modulatori elettro-ottici per ridurre l'ingombro e il consumo di tensione. Può essere utilizzato anche in altri intervalli spettrali e con diverse configurazioni di risonatori. Attualmente, il team di ricerca sta collaborando alla realizzazione di un LIDAR per lo spettro visibile composto da array di sfasatori basati su tali microanelli. In futuro, potrà trovare applicazione in molti altri ambiti, come il miglioramento della non linearità ottica, lo sviluppo di nuovi laser e nuove tecnologie per l'ottica quantistica.
Fonte dell'articolo: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Data di pubblicazione: 29 marzo 2023