De afgelopen jaren hebben onderzoekers uit verschillende landen geïntegreerde fotonica gebruikt om infraroodlichtgolven te manipuleren en toe te passen op snelle 5G-netwerken, chipsensoren en autonome voertuigen. Met de voortdurende verdieping van deze onderzoeksrichting zijn onderzoekers nu begonnen met diepgaande detectie van kortere zichtbare lichtbanden en de ontwikkeling van uitgebreidere toepassingen, zoals LIDAR op chipniveau, AR/VR/MR (verbeterde/virtuele/hybride realitybrillen), holografische displays, kwantumprocessorchips, optogenetische probes 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 golffrontvorming in de vrije ruimte. Deze twee primaire functies zijn essentieel voor de realisatie van diverse toepassingen. Voor optische fasemodulatoren in het zichtbare lichtbereik is het echter bijzonder uitdagend om tegelijkertijd te voldoen aan de eisen van hoge transmissie en hoge modulatie. Om aan deze eis te voldoen, moeten zelfs de meest geschikte siliciumnitride- en lithiumniobaatmaterialen 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 microringresonator. Ze bewezen dat de microringresonator in een sterke koppelingstoestand werkt. Het apparaat kan fasemodulatie bereiken met minimaal verlies. Vergeleken met conventionele golfgeleiderfasemodulatoren is de ruimtebesparing en het energieverbruik van het apparaat minstens een orde van grootte kleiner. De gerelateerde content is gepubliceerd in Nature Photonics.
Michal Lipson, een vooraanstaand expert op het gebied van geïntegreerde fotonica, gebaseerd op siliciumnitride, zei: "De sleutel tot onze voorgestelde oplossing is het gebruik van een optische resonator en het werken in een zogenaamde sterke koppelingstoestand."
De optische resonator is een zeer symmetrische structuur die een kleine verandering in de brekingsindex kan omzetten in een faseverandering door meerdere lichtbundelcycli. Over het algemeen kan deze worden onderverdeeld in drie verschillende werktoestanden: "onderkoppeling" en "onderkoppeling". "Kritische koppeling" en "sterke koppeling". "Onderkoppeling" kan slechts beperkte fasemodulatie bieden en zal onnodige amplitudeveranderingen introduceren, 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 "sterke koppelingstoestand". 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 van de zijwand te verminderen.
Heqing Huang, de eerste auteur van het artikel, zei ook: "We hebben een miniatuur, energiebesparende en extreem verliesarme zichtbaarlichtfasemodulator ontworpen met een straal van slechts 5 μm en een π-fasemodulatievermogen van slechts 0,8 mW. De geïntroduceerde amplitudevariatie is minder dan 10%. Wat zeldzamer is, is dat deze modulator even effectief is voor de moeilijkste blauwe en groene banden in het zichtbare spectrum."
Nanfang Yu wees er ook op dat, hoewel ze nog lang niet het niveau van integratie van elektronische producten hebben bereikt, hun werk de kloof tussen fotonische schakelaars en elektronische schakelaars drastisch heeft verkleind. "Waar de vorige modulatortechnologie slechts de integratie van 100 golfgeleiderfasemodulatoren toeliet, gegeven een bepaalde chipgrootte en een bepaald vermogensbudget, kunnen we nu 10.000 faseverschuivers op dezelfde chip integreren om complexere functies te bereiken."
Kortom, deze ontwerpmethode kan worden toegepast op elektro-optische modulatoren om de benodigde ruimte en het spanningsverbruik te verminderen. Het kan ook worden gebruikt in andere spectrale bereiken en andere resonatorontwerpen. Momenteel werkt het onderzoeksteam samen aan de demonstratie van de zichtbare spectrum-LIDAR, samengesteld uit faseverschuivingsarrays op basis van dergelijke microringen. In de toekomst kan het ook worden toegepast in vele toepassingen, zoals verbeterde optische niet-lineariteit, nieuwe lasers en nieuwe kwantumoptica.
Bron artikel: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., gevestigd in de Chinese "Silicon Valley" – Beijing Zhongguancun, is een hightechonderneming die zich toelegt op de dienstverlening aan binnen- en buitenlandse onderzoeksinstellingen, onderzoeksinstituten, universiteiten en wetenschappelijk personeel. Ons bedrijf houdt zich voornamelijk bezig met onafhankelijk onderzoek en ontwikkeling, ontwerp, productie en verkoop van opto-elektronische producten en biedt innovatieve oplossingen en professionele, gepersonaliseerde diensten aan wetenschappelijk onderzoekers en industrieel ingenieurs. Na jaren van onafhankelijke innovatie heeft het een rijke en perfecte reeks foto-elektrische producten ontwikkeld, die veelvuldig worden gebruikt in gemeentelijke, militaire, transport-, elektriciteits-, financiële, onderwijs-, medische en andere sectoren.
Wij kijken uit naar de samenwerking met u!
Plaatsingstijd: 29-03-2023