Новое устройство модулирует видимый свет с наименьшими габаритами и низким энергопотреблением

За последние несколько десятилетий исследователи перешли от использования электрических токов к управлению световыми волнами в ближнем инфракрасном диапазоне для телекоммуникационных приложений, таких как высокоскоростные сети 5G, биосенсоры на чипе и беспилотные автомобили. Эта область исследований, известная как интегрированная фотоника, быстро развивается, и в настоящее время исследователи изучают более короткий — видимый — диапазон длин волн для разработки широкого спектра новых приложений. К ним относятся обнаружение света и измерение дальности в масштабе чипа (LiDAR), очки дополненной/виртуальной/смешанной реальности (AR/VR/MR), голографические дисплеи, чипы квантовой обработки информации и имплантируемые в мозг оптогенетические зонды.

Единственное устройство, имеющее решающее значение для всех этих приложений в видимом диапазоне, — это оптический фазовый модулятор, который управляет фазой световой волны подобно тому, как фаза радиоволн модулируется в беспроводных компьютерных сетях. С помощью фазового модулятора исследователи могут построить встроенный в микросхему оптический переключатель, который направляет свет в различные волноводные порты. С помощью большой сети этих оптических переключателей исследователи могли создавать сложные интегрированные оптические системы, которые могли бы управлять светом, распространяющимся на крошечном чипе.

Но фазовые модуляторы в видимом диапазоне сделать очень сложно:нет материалов, достаточно прозрачных в видимом спектре, а также обеспечивающих большую настраиваемость за счет термооптических или электрооптических эффектов. В настоящее время наиболее подходящими материалами являются нитрид кремния и ниобат лития.

Хотя оба они очень прозрачны в видимом диапазоне, ни один из них не обеспечивает особых возможностей настройки. Таким образом, фазовые модуляторы видимого спектра на основе этих материалов не только большие, но и энергоемкие:длина отдельных волноводных модуляторов колеблется от сотен микрон до нескольких миллиметров, а один модулятор потребляет десятки милливатт для перестройки фазы. Исследователи, пытающиеся добиться крупномасштабной интеграции — встраивания тысяч устройств в один микрочип — до сих пор не могли найти эти громоздкие энергоемкие устройства.

Исследователи Columbia Engineering нашли решение этой проблемы — они разработали способ, основанный на микрокольцевых резонаторах, позволяющий резко уменьшить размер и энергопотребление фазового модулятора видимого спектра с одного миллиметра до 10 микрон и с десятки милливатт для настройки фазы π ниже одного милливатт.

Оптические резонаторы представляют собой структуры с высокой степенью симметрии, такие как кольца, которые могут многократно циклически повторять луч света и преобразовывать крошечные изменения показателя преломления в большую фазовую модуляцию. Резонаторы могут работать в различных условиях, поэтому их следует использовать с осторожностью. Например, при работе в режимах «недостаточной связи» или «критической связи» резонатор будет обеспечивать только ограниченную фазовую модуляцию и, что более проблематично, вносить большие колебания амплитуды в оптический сигнал. Последнее представляет собой крайне нежелательные оптические потери, поскольку накопление даже умеренных потерь от отдельных фазовых модуляторов не позволит их каскадировать для формирования схемы с достаточно большим выходным сигналом.

Чтобы добиться полной настройки фазы 2π и минимального изменения амплитуды, исследовательская группа решила использовать микрокольцо в режиме «сильной избыточной связи», при котором сила связи между микрокольцом и волноводом «шина» который пропускает свет в кольцо, как минимум в 10 раз сильнее, чем потери микрокольца, что в первую очередь связано с оптическим рассеянием на наноразмерных шероховатостях на боковых стенках устройства.

Команда разработала несколько стратегий, чтобы перевести устройства в режим сильной избыточной связи. Наиболее важным из них было изобретение ими адиабатической геометрии микрокольца, в которой кольцо плавно переходит между узкой шейкой и широким брюшком, которые находятся на противоположных краях кольца. Узкая шейка кольца облегчает обмен светом между шинным волноводом и микрокольцом, тем самым повышая прочность связи. Широкий живот кольца снижает оптические потери, поскольку направленный свет взаимодействует только с внешней, а не с внутренней боковой стенкой расширенной части адиабатического микрокольца, что существенно снижает оптическое рассеяние на шероховатости боковой стенки.

При сравнительном исследовании адиабатических микроколец и обычных микроколец одинаковой ширины, изготовленных бок о бок на одном и том же кристалле, команда обнаружила, что ни одно из обычных микроколец не удовлетворяет условию сильной избыточной связи — на самом деле они страдают очень плохие оптические потери — при этом 63% адиабатических микроколец продолжали работать в режиме сильной пересвязи.

Их лучшие фазовые модуляторы, работающие на синем и зеленом цветах, которые являются наиболее сложными участками видимого спектра, имеют радиус всего пять микрон, потребляют мощность 0,8 мВт для перестройки фазы π и вносят изменение амплитуды менее 10 процент. По словам исследователей, ни одна из предыдущих работ не демонстрировала такие компактные, энергоэффективные фазовые модуляторы с малыми потерями в видимом диапазоне длин волн.

Исследователи отмечают, что, хотя им далеко до степени интеграции электроники, их работа существенно сокращает разрыв между фотонными и электронными переключателями. «Если прежние технологии модуляторов позволяли интегрировать только 100 волноводных фазовых модуляторов при определенной площади чипа и бюджете мощности, то теперь мы можем сделать это в 100 раз лучше и интегрировать 10 000 фазовращателей на чип для реализации гораздо более сложных функций», — сказал профессор Нанфан. Ю.

В настоящее время исследователи работают над демонстрацией устройств LiDAR видимого спектра. создание больших двумерных массивов фазовращателей на основе адиабатических микроколец. Стратегии проектирования, используемые для их термооптических устройств видимого спектра, могут быть применены к электрооптическим модуляторам для уменьшения их занимаемой площади и управляющих напряжений, а также могут быть адаптированы для других спектральных диапазонов (например, ультрафиолетового, телекоммуникационного, среднего инфракрасного и терагерцового). и в других конструкциях резонаторов помимо микроколец.