W ostatnich latach naukowcy z różnych krajów wykorzystywali zintegrowaną fotonikę do stopniowego przetwarzania fal światła podczerwonego i stosowania jej w szybkich sieciach 5G, czujnikach chipowych i pojazdach autonomicznych. Obecnie, wraz z ciągłym pogłębianiem tego kierunku badań, naukowcy rozpoczęli dogłębną detekcję krótszych pasm światła widzialnego i opracowują bardziej rozbudowane zastosowania, takie jak LIDAR na poziomie chipów, okulary AR/VR/MR (rozszerzonej/wirtualnej/hybrydowej) rzeczywistości, wyświetlacze holograficzne, układy przetwarzania kwantowego, sondy optogenetyczne wszczepiane do mózgu itp.
Wielkoskalowa integracja optycznych modulatorów fazy stanowi rdzeń podsystemu optycznego do trasowania optycznego na chipie i kształtowania frontu fali w wolnej przestrzeni. Te dwie podstawowe funkcje są niezbędne do realizacji różnych zastosowań. Jednak w przypadku optycznych modulatorów fazy w zakresie światła widzialnego, spełnienie wymagań wysokiej transmitancji i wysokiej modulacji jest szczególnie trudne. Aby spełnić to wymaganie, nawet najodpowiedniejsze materiały z azotku krzemu i niobianu litu muszą charakteryzować się większą objętością i większym poborem mocy.
Aby rozwiązać ten problem, Michal Lipson i Nanfang Yu z Uniwersytetu Columbia zaprojektowali termooptyczny modulator fazy z azotku krzemu oparty na adiabatycznym rezonatorze mikropierścieniowym. Udowodnili, że rezonator mikropierścieniowy działa w stanie silnego sprzężenia. Urządzenie może osiągnąć modulację fazy przy minimalnych stratach. W porównaniu ze zwykłymi modulatorami fazy falowodowej, urządzenie charakteryzuje się co najmniej rzędem wielkości mniejszym rozmiarem i mniejszym poborem mocy. Powiązane treści zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Photonics.
Michal Lipson, wiodący ekspert w dziedzinie zintegrowanej fotoniki opartej na azotku krzemu, powiedział: „Kluczem do naszego proponowanego rozwiązania jest zastosowanie rezonatora optycznego i praca w tzw. silnym stanie sprzężenia”.
Rezonator optyczny to wysoce symetryczna struktura, która może przekształcić niewielką zmianę współczynnika załamania światła w zmianę fazy poprzez wielokrotne cykle wiązek światła. Ogólnie rzecz biorąc, można go podzielić na trzy różne stany robocze: „pod sprzężeniem” i „pod sprzężeniem”. „Sprzężenie krytyczne” i „silne sprzężenie”. Spośród nich „pod sprzężeniem” może zapewnić jedynie ograniczoną modulację fazy i wprowadza niepotrzebne zmiany amplitudy, a „sprzężenie krytyczne” powoduje znaczne straty optyczne, wpływając tym samym na rzeczywistą wydajność urządzenia.
Aby osiągnąć pełną modulację fazy 2π i minimalną zmianę amplitudy, zespół badawczy manipulował mikropierścieniem w stanie „silnego sprzężenia”. Siła sprzężenia między mikropierścieniem a „szyną” jest co najmniej dziesięciokrotnie większa niż strata mikropierścienia. Po serii projektów i optymalizacji, ostateczna struktura jest pokazana na poniższym rysunku. Jest to pierścień rezonansowy o zwężającej się szerokości. Wąska część falowodu poprawia siłę sprzężenia optycznego między „szyną” a mikrocewką. Szeroka część falowodu Strata światła mikropierścienia jest zmniejszona poprzez zmniejszenie rozpraszania optycznego ściany bocznej.
Heqing Huang, pierwszy autor artykułu, dodał: „Zaprojektowaliśmy miniaturowy, energooszczędny i niezwykle niskostratny modulator fazy światła widzialnego o promieniu zaledwie 5 μm i poborze mocy modulacji fazy π wynoszącym zaledwie 0,8 mW. Wprowadzona zmienność amplitudy wynosi mniej niż 10%. Co rzadsze, ten modulator jest równie skuteczny w przypadku najtrudniejszych pasm niebieskiego i zielonego w widmie widzialnym”.
Nanfang Yu zwrócił również uwagę, że chociaż daleko im jeszcze do poziomu integracji produktów elektronicznych, ich praca radykalnie zmniejszyła lukę między przełącznikami fotonicznymi a przełącznikami elektronicznymi. „Jeśli poprzednia technologia modulatorów pozwalała jedynie na integrację 100 falowodowych modulatorów fazy przy określonej powierzchni układu scalonego i budżecie mocy, to teraz możemy zintegrować 10 000 przesuwników fazy na tym samym układzie scalonym, aby osiągnąć bardziej złożone funkcje”.
Krótko mówiąc, tę metodę projektowania można zastosować do modulatorów elektrooptycznych, aby zmniejszyć zajmowaną przestrzeń i pobór napięcia. Można ją również stosować w innych zakresach widmowych i innych konstrukcjach rezonatorów. Obecnie zespół badawczy współpracuje nad zademonstrowaniem LIDAR-u widma widzialnego, złożonego z matryc przesuwników fazowych opartych na takich mikropierścieniach. W przyszłości metoda ta może znaleźć zastosowanie w wielu zastosowaniach, takich jak zwiększona nieliniowość optyczna, nowe lasery i nowa optyka kwantowa.
Źródło artykułu: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd. z siedzibą w chińskiej „Dolinie Krzemowej” – Beijing Zhongguancun – to zaawansowane technologicznie przedsiębiorstwo, które świadczy usługi krajowym i zagranicznym instytucjom badawczym, instytutom badawczym, uniwersytetom oraz pracownikom naukowo-badawczym przedsiębiorstw. Nasza firma zajmuje się głównie niezależnymi badaniami i rozwojem, projektowaniem, produkcją i sprzedażą produktów optoelektronicznych, a także dostarcza innowacyjne rozwiązania i profesjonalne, spersonalizowane usługi dla naukowców i inżynierów przemysłowych. Po latach niezależnej innowacji, firma stworzyła bogatą i doskonałą serię produktów fotoelektrycznych, które znajdują szerokie zastosowanie w sektorze komunalnym, wojskowym, transportowym, energetycznym, finansowym, edukacyjnym, medycznym i innych gałęziach przemysłu.
Czekamy na współpracę z Państwem!
Czas publikacji: 29 marca 2023 r.