Ultra-miniatuur, laag-energie zichtbare lichtmodulator stelt nieuwe industriestandaard

De afgelopen decennia zijn onderzoekers overgegaan van het gebruik van elektrische stromen naar het manipuleren van lichtgolven in het nabij-infrarood bereik voor telecommunicatie toepassingen zoals hoge-snelheid 5G netwerken, biosensors op een chip, en zelfrijdende auto's. Dit onderzoeksgebied, bekend als geïntegreerde photonica, evolueert snel, en onderzoekers verkennen nu de kortere — zichtbare — golflengtebereik om een brede verscheidenheid aan opkomende toepassingen te ontwikkelen. Deze omvatten chip-schaal light detection and ranging (LiDAR), augmented/virtual/mixed reality (AR/VR/MR) brillen, holografische displays, quantum informatie verwerkingschips, en implanteerbare optogenetische sondes in de hersenen.

Het ene apparaat dat cruciaal is voor al deze toepassingen in het zichtbare bereik is een optische fase modulator, die de fase van een lichtgolf controleert, vergelijkbaar met hoe de fase van radiogolven gemoduleerd wordt in draadloze computernetwerken. Met een fase modulator kunnen onderzoekers een on-chip optische schakelaar bouwen die licht in verschillende golfgids poorten kanalen. Met een groot netwerk van deze optische schakelaars kunnen onderzoekers gesofisticeerde geïntegreerde optische systemen creëren die licht kunnen controleren dat voortplant op een kleine chip.

Maar fase modulatoren in het zichtbare bereik zijn erg lastig te maken: er zijn geen materialen die transparant genoeg zijn in het zichtbare spectrum terwijl ze ook grote afstembaarheid bieden, hetzij door thermo-optische of elektro-optische effecten. Momenteel zijn de twee meest geschikte materialen siliciumnitride en lithiumniobaat.

Hoewel beide hoog transparant zijn in het zichtbare bereik, biedt geen van beide veel afstembaarheid. Zichtbare-spectrum fase modulatoren gebaseerd op deze materialen zijn dus niet alleen groot maar ook energiehongerig: de lengte van individuele golfgids-gebaseerde modulatoren varieert van honderden micrometers tot diverse millimeters, en een enkele modulator verbruikt tientallen milliwatts voor fase-afstemming. Onderzoekers die proberen grootschalige integratie te bereiken — duizenden apparaten op een enkele microchip in te sluiten — zijn tot nu toe tegengehouden door deze grote, energieverbruikende apparaten.

Columbia Engineering onderzoekers hebben een oplossing gevonden voor dit probleem — ze hebben een manier ontwikkeld gebaseerd op micro-ring resonators om zowel de grootte als het energieverbruik van een zichtbare-spectrum fase modulator drastisch te reduceren, van één millimeter tot 10 micron, en van tientallen milliwatts voor π fase-afstemming tot onder één milliwatt.

Optische resonators zijn structuren met een hoge graad van symmetrie, zoals ringen, die een bundel licht vele keren kunnen laten cyclen en kleine brekingsindex veranderingen vertalen naar een grote fase modulatie. Resonators kunnen onder verschillende condities opereren en moeten daarom zorgvuldig gebruikt worden. Als ze bijvoorbeeld opereren in de "onder-gekoppelde" of "kritiek gekoppelde" regimes, zal een resonator alleen beperkte fase modulatie bieden, en problematischerwijs, een grote amplitudeverandering introduceren in het optische signaal. Het laatste is een hoogst ongewenste optische verlies omdat accumulatie van zelfs matige verliezen van individuele fase modulatoren zal verhinderen dat ze in cascades geschakeld worden om een circuit te vormen dat een voldoende groot uitgangssignaal heeft.

Om een complete 2π fase-afstemming en minimale amplitudeverandering te bereiken, koos het onderzoeksteam ervoor om een micro-ring in het "sterk over-gekoppelde" regime te laten opereren, een conditie waarin de koppelingssterkte tussen de micro-ring en de "bus" golfgids die licht in de ring voedt, ten minste 10 keer sterker is dan het verlies van de micro-ring, wat primair voortkomt uit optische verstrooiing op de nanoschaal ruwheid aan de apparaatzijwanden.

Het team ontwikkelde diverse strategieën om de apparaten in het sterk over-gekoppelde regime te duwen. De meest cruciale was hun uitvinding van een adiabatische micro-ring geometrie, waarin de ring soepel overgaat tussen een smalle hals en een wijd buik, die aan de tegenovergestelde randen van de ring liggen. De smalle hals van de ring vergemakkelijkt de uitwisseling van licht tussen de bus golfgids en de micro-ring, wat de koppelingssterkte versterkt. De wijd buik van de ring vermindert optisch verlies omdat het geleide licht alleen interactie heeft met de buitenste zijwand, niet de binnenste zijwand, van het verbrede deel van de adiabatische micro-ring, wat de optische verstrooiing aan de zijwand ruwheid aanzienlijk vermindert.

In een vergelijkende studie van adiabatische micro-ringen en conventionele micro-ringen met uniforme breedte gefabriceerd naast elkaar op dezelfde chip, vonden de onderzoekers dat geen van de conventionele micro-ringen voldeden aan de sterke over-koppelingsconditie — in feite, ze lidden erg aan optische verliezen — terwijl 63% van de adiabatische micro-ringen in het sterk over-gekoppelde regime bleven opereren.

Hun beste fase modulatoren opererend bij blauwe en groene kleuren, wat de moeilijkste delen van het zichtbare spectrum zijn, hebben een straal van slechts vijf micron, verbruiken 0,8 mW voor π fase-afstemming, en introduceren een amplitudeverandering van minder dan 10 procent. Volgens de onderzoekers heeft geen eerdere werk dergelijke compacte, energie-efficiënte en laag-verlies fase modulatoren bij zichtbare golflengtes gedemonstreerd.

De onderzoekers merken op dat hoewel ze nergens in de buurt zijn van de integratiegraad van elektronica, hun werk de kloof tussen fotonische en elektronische schakelaars aanzienlijk verkleint. "Als eerdere modulator technologieën alleen integratie van 100 golfgids fase modulatoren toelieten gegeven een bepaalde chipvoetafdruk en energiebudget, kunnen we dat nu 100 keer beter doen en 10.000 faseverschuivers op een chip integreren om veel meer gesofisticeerde functies te realiseren," zei Professor Nanfang Yu.

De onderzoekers werken nu aan het demonstreren van zichtbare-spectrum LiDAR bestaande uit grote 2D arrays van faseverschuivers gebaseerd op adiabatische micro-ringen. De ontwerpstrategieën gebruikt voor hun zichtbare-spectrum thermo-optische apparaten kunnen toegepast worden op elektro-optische modulatoren om hun voetafdruk en dryfspanningen te verminderen en kunnen aangepast worden in andere spectrale bereiken (bijv. ultraviolett, telecom, mid-infrarood, en terahertz) en in andere resonator ontwerpen buiten micro-ringen.