De afgelopen jaren hebben onderzoekers uit verschillende landen geïntegreerde fotonica gebruikt om infraroodlichtgolven te manipuleren en deze toe te passen in snelle 5G-netwerken, chipsensoren en autonome voertuigen. Met de voortdurende verdieping van deze onderzoeksrichting zijn onderzoekers nu begonnen met het diepgaand detecteren van kortere banden van zichtbaar licht en het ontwikkelen van meer uitgebreide toepassingen, zoals LIDAR op chipniveau, AR/VR/MR-brillen (enhanced/virtual/hybrid reality), holografische displays, kwantumprocessorchips, optogenetische sondes die in de hersenen worden geïmplanteerd, enzovoort.
De grootschalige integratie van optische fasemodulatoren vormt de kern van het optische subsysteem voor optische routing op de chip en het vormgeven van golffronten in de vrije ruimte. Deze twee primaire functies zijn essentieel voor de realisatie van diverse toepassingen. Voor optische fasemodulatoren in het zichtbare lichtspectrum is het echter bijzonder lastig om tegelijkertijd te voldoen aan de eisen van hoge transmissie en hoge modulatie. Om aan deze eis te voldoen, moeten zelfs de meest geschikte materialen, siliciumnitride en lithiumniobaat, het volume en het stroomverbruik verhogen.
Om dit probleem op te lossen, ontwierpen Michal Lipson en Nanfang Yu van Columbia University een thermo-optische fasemodulator van siliciumnitride, gebaseerd op de adiabatische micro-ringresonator. Ze bewezen dat de micro-ringresonator in een sterke koppelingsstatus werkt. Het apparaat kan fasemodulatie bereiken met minimaal verlies. Vergeleken met gewone golfgeleiderfasemodulatoren heeft het apparaat een ruimte- en energieverbruiksreductie van minstens een factor tien. De betreffende inhoud is gepubliceerd in Nature Photonics.
Michal Lipson, een vooraanstaand expert op het gebied van geïntegreerde fotonica op basis van siliciumnitride, zei: "De sleutel tot onze voorgestelde oplossing is het gebruik van een optische resonator en het werken in een zogenaamde sterke koppelingsstaat."
De optische resonator is een zeer symmetrische structuur die een kleine verandering in de brekingsindex kan omzetten in een faseverandering door middel van meerdere lichtbundelcycli. Over het algemeen kan deze worden onderverdeeld in drie verschillende werkingsmodi: "onderkoppeling", "kritische koppeling" en "sterke koppeling". "Onderkoppeling" levert slechts beperkte fasemodulatie op en introduceert onnodige amplitudeveranderingen, terwijl "kritische koppeling" aanzienlijk optisch verlies veroorzaakt, wat de daadwerkelijke prestaties van het apparaat beïnvloedt.
Om volledige 2π-fasemodulatie en minimale amplitudeverandering te bereiken, manipuleerde het onderzoeksteam de microring in een "sterk gekoppelde" toestand. De koppelingssterkte tussen de microring en de "bus" is minstens tien keer hoger dan het verlies van de microring. Na een reeks ontwerpen en optimalisaties is de uiteindelijke structuur weergegeven in de onderstaande afbeelding. Dit is een resonante ring met een taps toelopende breedte. Het smalle golfgeleidergedeelte verbetert de optische koppelingssterkte tussen de "bus" en de microspoel. Het brede golfgeleidergedeelte vermindert het lichtverlies van de microring door de optische verstrooiing aan de zijwand te beperken.
Heqing Huang, de eerste auteur van het artikel, zei ook: "We hebben een miniatuur, energiebesparende en extreem verliesarme fasemodulator voor zichtbaar licht ontworpen met een straal van slechts 5 μm en een stroomverbruik van slechts 0,8 mW voor π-fasemodulatie. De geïntroduceerde amplitudevariatie is minder dan 10%. Wat nog zeldzamer is, is dat deze modulator even effectief is voor de moeilijkste blauwe en groene banden in het zichtbare spectrum."
Nanfang Yu benadrukte ook dat, hoewel ze nog lang niet het integratieniveau van elektronische producten hebben bereikt, hun werk de kloof tussen fotonische schakelaars en elektronische schakelaars aanzienlijk heeft verkleind. "Waar de vorige modulatortechnologie slechts de integratie van 100 golfgeleider-fasemodulatoren toestond, gegeven een bepaalde chipgrootte en een beperkt energiebudget, kunnen we nu 10.000 faseverschuivers op dezelfde chip integreren om complexere functies te realiseren."
Kortom, deze ontwerpmethode kan worden toegepast op elektro-optische modulatoren om de benodigde ruimte en het stroomverbruik te verminderen. Het kan ook worden gebruikt in andere spectrale bereiken en voor andere resonatorontwerpen. Momenteel werkt het onderzoeksteam samen aan de demonstratie van een LIDAR voor het zichtbare spectrum, samengesteld uit faseverschuiverarrays gebaseerd op dergelijke microringen. In de toekomst kan het ook worden toegepast in tal van toepassingen, zoals verbeterde optische niet-lineariteit, nieuwe lasers en nieuwe kwantumoptica.
Artikelbron: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., gevestigd in Beijing Zhongguancun, ook wel bekend als "Silicon Valley", is een hightechbedrijf dat zich richt op het ondersteunen van binnenlandse en buitenlandse onderzoeksinstellingen, universiteiten en wetenschappelijk personeel van bedrijven. Ons bedrijf houdt zich voornamelijk bezig met de onafhankelijke ontwikkeling, het ontwerp, de productie en de verkoop van opto-elektronische producten en biedt innovatieve oplossingen en professionele, gepersonaliseerde diensten aan wetenschappelijk onderzoekers en industriële ingenieurs. Na jaren van onafhankelijke innovatie heeft het bedrijf een uitgebreid en perfect assortiment foto-elektrische producten ontwikkeld, die op grote schaal worden gebruikt in de gemeentelijke sector, defensie, transport, energiesector, financiële sector, onderwijs, medische sector en andere industrieën.
Wij kijken uit naar een samenwerking met u!
Geplaatst op: 29 maart 2023