V posledních letech vědci z různých zemí využívají integrovanou fotoniku k postupné realizaci manipulace s infračervenými světelnými vlnami a jejich aplikaci ve vysokorychlostních sítích 5G, čipových senzorech a autonomních vozidlech. V současné době, s neustálým prohlubováním tohoto výzkumného směru, vědci začali provádět hloubkovou detekci kratších pásem viditelného světla a vyvíjet rozsáhlejší aplikace, jako je LIDAR na úrovni čipů, brýle AR/VR/MR (vylepšená/virtuální/hybridní realita), holografické displeje, kvantové procesorové čipy, optogenetické sondy implantované do mozku atd.
Rozsáhlá integrace optických fázových modulátorů je jádrem optického subsystému pro směrování optických signálů na čipu a tvarování vlnoplochy ve volném prostoru. Tyto dvě primární funkce jsou nezbytné pro realizaci různých aplikací. U optických fázových modulátorů ve viditelném rozsahu světla je však obzvláště náročné splnit požadavky na vysokou propustnost a vysokou modulaci současně. Pro splnění tohoto požadavku musí i nejvhodnější materiály na bázi nitridu křemíku a niobátu lithného zvýšit objem a spotřebu energie.
Aby tento problém vyřešili, navrhli Michal Lipson a Nanfang Yu z Kolumbijské univerzity termooptickou fázovou modulaci z nitridu křemíku, která je založena na adiabatickém mikrokruhovém rezonátoru. Prokázali, že mikrokruhový rezonátor pracuje v silném vazebném stavu. Zařízení dokáže dosáhnout fázové modulace s minimálními ztrátami. Ve srovnání s běžnými vlnovodovými fázovými modulátory má zařízení alespoň o řád menší prostor a spotřebu energie. Související obsah byl publikován v časopise Nature Photonics.
Michal Lipson, přední odborník v oblasti integrované fotoniky založené na nitridu křemíku, uvedl: „Klíčem k našemu navrhovanému řešení je použití optického rezonátoru a provoz v tzv. silném vazebném stavu.“
Optický rezonátor je vysoce symetrická struktura, která dokáže převést malou změnu indexu lomu na fázovou změnu prostřednictvím několika cyklů světelných paprsků. Obecně jej lze rozdělit do tří různých pracovních stavů: „nedostatečná vazba“ a „nedostatečná vazba“. Kritická vazba a „silná vazba“. Mezi nimi „nedostatečná vazba“ může poskytovat pouze omezenou fázovou modulaci a zavádí zbytečné změny amplitudy a „kritická vazba“ způsobuje značné optické ztráty, čímž ovlivňuje skutečný výkon zařízení.
Aby bylo dosaženo úplné 2π fázové modulace a minimální změny amplitudy, výzkumný tým manipuloval s mikrokroužkem ve stavu „silné vazby“. Vazební síla mezi mikrokroužkem a „sběrnicí“ je nejméně desetkrát vyšší než ztráta mikrokroužku. Po sérii návrhů a optimalizací je finální struktura znázorněna na obrázku níže. Jedná se o rezonanční prstenec se zužující se šířkou. Úzká část vlnovodu zlepšuje optickou vazební sílu mezi „sběrnicí“ a mikrocívkou. Široká část vlnovodu Ztráta světla mikrokroužkem je snížena snížením optického rozptylu na boční stěně.
Heqing Huang, první autor článku, také uvedl: „Navrhli jsme miniaturní, energeticky úsporný a extrémně nízkoztrátový fázový modulátor viditelného světla s poloměrem pouhých 5 μm a spotřebou energie π-fázové modulace pouhých 0,8 mW. Zavedená variace amplitudy je menší než 10 %. Vzácnější je, že tento modulátor je stejně účinný i pro nejobtížnější modré a zelené pásy ve viditelném spektru.“
Nanfang Yu také poukázal na to, že ačkoliv zdaleka nedosáhli úrovně integrace elektronických produktů, jejich práce dramaticky zmenšila propast mezi fotonickými a elektronickými přepínači. „Pokud předchozí technologie modulátorů umožňovala integraci pouze 100 fázových modulátorů vlnovodu při určité velikosti čipu a energetickém rozpočtu, pak nyní můžeme integrovat 10 000 fázových posunovačů na stejném čipu a dosáhnout tak komplexnější funkce.“
Stručně řečeno, tato konstrukční metoda může být aplikována na elektrooptické modulátory pro snížení obsazeného prostoru a spotřeby napětí. Lze ji také použít v jiných spektrálních rozsazích a jiných různých konstrukcích rezonátorů. V současné době výzkumný tým spolupracuje na demonstraci LIDARu ve viditelném spektru složeného z polí fázových posunů založených na takových mikrokroužcích. V budoucnu může být také aplikována v mnoha aplikacích, jako je vylepšená optická nelinearita, nové lasery a nová kvantová optika.
Zdroj článku: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Společnost Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd. se sídlem v čínském „Silicon Valley“ – Beijing Zhongguancun, je high-tech podnik zaměřený na služby domácím i zahraničním výzkumným institucím, výzkumným ústavům, univerzitám a vědeckovýzkumným pracovníkům v podnicích. Naše společnost se zabývá především nezávislým výzkumem a vývojem, návrhem, výrobou a prodejem optoelektronických produktů a poskytuje inovativní řešení a profesionální, personalizované služby pro vědecké výzkumníky a průmyslové inženýry. Po letech nezávislých inovací vytvořila bohatou a dokonalou řadu fotoelektrických produktů, které se široce používají v komunálním, vojenském, dopravním, energetickém, finančním, vzdělávacím, lékařském a dalších odvětvích.
Těšíme se na spolupráci s vámi!
Čas zveřejnění: 29. března 2023