Nieuw apparaat moduleert zichtbaar licht met de kleinste voetafdruk en het laagste stroomverbruik

In de afgelopen decennia zijn onderzoekers overgestapt van het gebruik van elektrische stromen naar het manipuleren van lichtgolven in het nabij-infraroodbereik voor telecommunicatietoepassingen zoals snelle 5G-netwerken, biosensoren op een chip en auto's zonder bestuurder. Dit onderzoeksgebied, dat bekend staat als geïntegreerde fotonica, evolueert snel en onderzoekers onderzoeken nu het kortere - zichtbare - golflengtebereik om een ​​breed scala aan opkomende toepassingen te ontwikkelen. Deze omvatten lichtdetectie en -bereik op chipschaal (LiDAR), augmented/virtual/mixed reality (AR/VR/MR)-brillen, holografische displays, chips voor het verwerken van kwantuminformatie en implanteerbare optogenetische sondes in de hersenen.

Het enige apparaat dat van cruciaal belang is voor al deze toepassingen in het zichtbare bereik, is een optische fasemodulator, die de fase van een lichtgolf regelt, vergelijkbaar met hoe de fase van radiogolven wordt gemoduleerd in draadloze computernetwerken. Met een fasemodulator kunnen onderzoekers een optische schakelaar op de chip bouwen die licht naar verschillende golfgeleiderpoorten kanaliseert. Met een groot netwerk van deze optische schakelaars zouden onderzoekers geavanceerde geïntegreerde optische systemen kunnen maken die het licht dat zich op een kleine chip voortplant, kunnen regelen.

Maar fasemodulatoren in het zichtbare bereik zijn erg moeilijk te maken:er zijn geen materialen die transparant genoeg zijn in het zichtbare spectrum en tegelijkertijd een grote afstembaarheid bieden, hetzij door thermo-optische of elektro-optische effecten. Momenteel zijn de twee meest geschikte materialen siliciumnitride en lithiumniobaat.

Hoewel beide zeer transparant zijn in het zichtbare bereik, biedt geen van beide veel afstembaarheid. Op deze materialen gebaseerde fasemodulatoren met zichtbaar spectrum zijn dus niet alleen groot, maar ook energieverslindend:de lengte van individuele op golfgeleiders gebaseerde modulatoren varieert van honderden microns tot enkele millimeters, en een enkele modulator verbruikt tientallen milliwatts voor fase-afstemming. Onderzoekers die grootschalige integratie proberen te realiseren - door duizenden apparaten op een enkele microchip in te bedden - zijn tot nu toe gedwarsboomd door deze omvangrijke, energieverbruikende apparaten.

Columbia Engineering-onderzoekers hebben een oplossing voor dit probleem gevonden — ze hebben een manier ontwikkeld op basis van microringresonatoren om zowel de grootte als het stroomverbruik van een fasemodulator met zichtbaar spectrum drastisch te verminderen, van één millimeter tot 10 micron, en van tientallen milliwatt voor π fase-afstemming tot onder één milliwatt.

Optische resonatoren zijn structuren met een hoge mate van symmetrie, zoals ringen, die een lichtstraal vele malen kunnen doorlopen en kleine veranderingen in de brekingsindex omzetten in een grote fasemodulatie. Resonatoren kunnen onder verschillende omstandigheden werken en moeten daarom zorgvuldig worden gebruikt. Als een resonator bijvoorbeeld werkt in de "ondergekoppelde" of "kritisch gekoppelde" regimes, zal hij slechts beperkte fasemodulatie bieden en, problematischer, een grote amplitudevariatie in het optische signaal introduceren. Dit laatste is een hoogst ongewenst optisch verlies omdat accumulatie van zelfs gematigde verliezen van individuele fasemodulatoren zal voorkomen dat ze in cascade worden geplaatst om een ​​circuit te vormen met een voldoende groot uitgangssignaal.

Om een ​​volledige 2π-fase-afstemming en minimale amplitudevariatie te bereiken, koos het onderzoeksteam ervoor om een ​​microring te gebruiken in het "sterk overgekoppelde" regime, een toestand waarin de koppelingssterkte tussen de microring en de "bus" golfgeleider die licht in de ring voedt, is minstens 10 keer sterker dan het verlies van de microring, wat voornamelijk te wijten is aan optische verstrooiing bij de ruwheid op nanoschaal op de zijwanden van het apparaat.

Het team ontwikkelde verschillende strategieën om de apparaten in het sterk overgekoppelde regime te duwen. De meest cruciale was hun uitvinding van een adiabatische microringgeometrie, waarbij de ring soepel overgaat tussen een smalle nek en een brede buik, die zich aan de tegenovergestelde randen van de ring bevinden. De smalle hals van de ring vergemakkelijkt de uitwisseling van licht tussen de busgolfgeleider en de microring, waardoor de koppelingssterkte wordt verbeterd. De brede buik van de ring vermindert optisch verlies omdat het geleide licht alleen interageert met de buitenste zijwand, niet de binnenste zijwand, van het verbrede gedeelte van de adiabatische microring, waardoor optische verstrooiing bij de ruwheid van de zijwand aanzienlijk wordt verminderd.

In een vergelijkende studie van adiabatische microringen en conventionele microringen met uniforme breedte die naast elkaar op dezelfde chip zijn gefabriceerd, ontdekte het team dat geen van de conventionele microringen voldeed aan de sterke overkoppelingsconditie - in feite leden ze zeer slechte optische verliezen — terwijl 63% van de adiabatische microringen bleef werken in het sterk overgekoppelde regime.

Hun beste fasemodulatoren die werken met de blauwe en groene kleuren, de moeilijkste delen van het zichtbare spectrum, hebben een straal van slechts vijf micron, verbruiken een vermogen van 0,8 mW voor π fase-afstemming en introduceren een amplitudevariatie van minder dan 10 procent. Volgens de onderzoekers heeft geen eerder werk zulke compacte, energiezuinige en verliesarme fasemodulatoren bij zichtbare golflengten aangetoond.

De onderzoekers merken op dat hoewel ze lang niet in de buurt zijn van de mate van integratie van elektronica, hun werk de kloof tussen fotonische en elektronische schakelaars aanzienlijk verkleint. "Als eerdere modulatortechnologieën alleen de integratie van 100 golfgeleider-fasemodulatoren mogelijk maken, gegeven een bepaalde chipvoetafdruk en vermogensbudget, kunnen we dat nu 100 keer beter doen en 10.000 faseverschuivers op een chip integreren om veel meer geavanceerde functies te realiseren," zei professor Nanfang Ja.

De onderzoekers werken nu aan het demonstreren van LiDAR-cons . met zichtbaar spectrum het maken van grote 2D-arrays van faseverschuivers op basis van adiabatische microringen. De ontwerpstrategieën die worden gebruikt voor hun thermo-optische apparaten met zichtbaar spectrum kunnen worden toegepast op elektro-optische modulatoren om hun voetafdruk en stuurspanningen te verminderen en kunnen worden aangepast in andere spectrale bereiken (bijv. ultraviolet, telecom, midden-infrarood en terahertz) en in andere resonatorontwerpen dan microringen.