V posledných rokoch výskumníci z rôznych krajín využívajú integrovanú fotoniku na postupnú realizáciu manipulácie s infračervenými svetelnými vlnami a ich aplikáciu vo vysokorýchlostných 5G sieťach, čipových senzoroch a autonómnych vozidlách. V súčasnosti, s neustálym prehlbovaním tohto výskumného smeru, výskumníci začali vykonávať hĺbkovú detekciu kratších pásiem viditeľného svetla a vyvíjať rozsiahlejšie aplikácie, ako napríklad LIDAR na úrovni čipov, okuliare AR/VR/MR (vylepšená/virtuálna/hybridná realita), holografické displeje, kvantové procesorové čipy, optogenetické sondy implantované do mozgu atď.
Rozsiahla integrácia optických fázových modulátorov je jadrom optického subsystému pre optické smerovanie na čipe a tvarovanie vlnoplochy vo voľnom priestore. Tieto dve primárne funkcie sú nevyhnutné pre realizáciu rôznych aplikácií. Pre optické fázové modulátory v rozsahu viditeľného svetla je však obzvlášť náročné splniť požiadavky na vysokú priepustnosť a vysokú moduláciu súčasne. Na splnenie tejto požiadavky musia aj najvhodnejšie materiály na báze nitridu kremíka a niobátu lítia zvýšiť objem a spotrebu energie.
Na vyriešenie tohto problému navrhli Michal Lipson a Nanfang Yu z Kolumbijskej univerzity termooptickú fázovú moduláciu z nitridu kremíka založenú na adiabatickom mikrokruhovom rezonátore. Dokázali, že mikrokruhový rezonátor pracuje v stave silnej väzby. Zariadenie dokáže dosiahnuť fázovú moduláciu s minimálnymi stratami. V porovnaní s bežnými vlnovodovými fázovými modulátormi má zariadenie aspoň o rád menšiu veľkosť priestoru a spotreby energie. Súvisiaci obsah bol publikovaný v časopise Nature Photonics.
Michal Lipson, popredný odborník v oblasti integrovanej fotoniky na báze nitridu kremíka, povedal: „Kľúčom k nášmu navrhovanému riešeniu je použitie optického rezonátora a prevádzka v takzvanom stave silnej väzby.“
Optický rezonátor je vysoko symetrická štruktúra, ktorá dokáže premeniť malú zmenu indexu lomu na fázovú zmenu prostredníctvom viacerých cyklov svetelných lúčov. Vo všeobecnosti ho možno rozdeliť do troch rôznych pracovných stavov: „nedostatočná väzba“ a „nedostatočná väzba“. Kritická väzba a „silná väzba“. Medzi nimi „nedostatočná väzba“ môže poskytnúť iba obmedzenú fázovú moduláciu a zavedie zbytočné zmeny amplitúdy a „kritická väzba“ spôsobí značné optické straty, čím ovplyvní skutočný výkon zariadenia.
Aby sa dosiahla úplná 2π fázová modulácia a minimálna zmena amplitúdy, výskumný tím manipuloval s mikrokrúžkom v stave „silnej väzby“. Väzbová sila medzi mikrokrúžkom a „zbernicou“ je najmenej desaťkrát vyššia ako strata mikrokrúžku. Po sérii návrhov a optimalizácie je konečná štruktúra znázornená na obrázku nižšie. Ide o rezonančný krúžok so zúženou šírkou. Úzka časť vlnovodu zlepšuje optickú väzbovú silu medzi „zbernicou“ a mikrocievkou. Široká časť vlnovodu: Strata svetla mikrokrúžkom sa znižuje znížením optického rozptylu bočnej steny.
Heqing Huang, prvý autor článku, tiež povedal: „Navrhli sme miniatúrny, energeticky úsporný a extrémne nízkostratový fázový modulátor viditeľného svetla s polomerom iba 5 μm a spotrebou energie pri π-fázovej modulácii iba 0,8 mW. Zavedená variácia amplitúdy je menšia ako 10 %. Ešte vzácnejšie je, že tento modulátor je rovnako účinný pre najťažšie modré a zelené pásma vo viditeľnom spektre.“
Nanfang Yu tiež poukázal na to, že hoci ani zďaleka nedosiahli úroveň integrácie elektronických produktov, ich práca dramaticky zmenšila priepasť medzi fotonickými a elektronickými prepínačmi. „Ak predchádzajúca modulačná technológia umožňovala integráciu iba 100 fázových modulátorov vlnovodu pri určitej veľkosti čipu a energetickom rozpočte, teraz môžeme integrovať 10 000 fázových posúvačov na tom istom čipe, aby sme dosiahli komplexnejšiu funkciu.“
Stručne povedané, táto metóda návrhu sa dá použiť na elektrooptické modulátory na zníženie zaberaného priestoru a spotreby napätia. Dá sa použiť aj v iných spektrálnych rozsahoch a iných rôznych konštrukciách rezonátorov. V súčasnosti výskumný tím spolupracuje na demonštrácii LIDARu vo viditeľnom spektre zloženého z polí fázových posunov založených na takýchto mikrokrúžkoch. V budúcnosti sa dá použiť aj v mnohých aplikáciách, ako je vylepšená optická nelinearita, nové lasery a nová kvantová optika.
Zdroj článku: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Spoločnosť Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd. so sídlom v čínskom „Silicon Valley“ – v Beijing Zhongguancun, je high-tech podnik zameraný na služby domácim a zahraničným výskumným inštitúciám, výskumným ústavom, univerzitám a vedecko-výskumnému personálu v podnikoch. Naša spoločnosť sa zaoberá predovšetkým nezávislým výskumom a vývojom, návrhom, výrobou a predajom optoelektronických produktov a poskytuje inovatívne riešenia a profesionálne, personalizované služby pre vedeckých výskumníkov a priemyselných inžinierov. Po rokoch nezávislých inovácií vytvorila bohatý a dokonalý rad fotoelektrických produktov, ktoré sa široko používajú v komunálnom, vojenskom, dopravnom, energetickom, finančnom, vzdelávacom, zdravotníckom a inom priemysle.
Tešíme sa na spoluprácu s Vami!
Čas uverejnenia: 29. marca 2023