Ультра-миниатюрный низкоэнергопотребляющий модулятор видимого света устанавливает новый индустриальный стандарт

За последние несколько десятилетия исследователи перешли от использования электрических токов к манипулированию световыми волнами в ближнем инфракрасном диапазоне для телекоммуникационных приложений, таких как высокоскоростные 5G сети, биосенсоры на чипе и беспилотные автомобили. Эта исследовательская область, известная как интегрированная фотоника, быстро эволюционирует, и исследователи теперь исследуют более короткий — видимый — диапазон длин волн для разработки широкого спектра новых приложений. К ним относятся чип-масштабные системы лидар (LiDAR), очки дополненной/виртуальной/смешанной реальности (AR/VR/MR), голографические дисплеи, чипы квантовой информационной обработки и имплантируемые оптогенетические зонды в мозг.

Одно устройство, критически важное для всех этих приложений в видимом диапазоне, — это оптический фазовый модулятор, который управляет фазой световой волны, аналогично тому, как фаза радиоволн модулируется в беспроводных компьютерных сетях. С фазовым модулятором исследователи могут построить на чипе оптический переключатель, который направляет свет в разные порты волноводов. С большой сетью таких оптических переключателей исследователи могли бы создавать сложные интегрированные оптические системы, способные управлять распространением света на крошечном чипе.

Но фазовые модуляторы в видимом диапазоне очень сложны в изготовлении: нет материалов, которые были бы достаточно прозрачны в видимом спектре, одновременно обеспечивая большую настраиваемость, либо через термооптические, либо через электрооптические эффекты. В настоящее время два наиболее подходящих материала — нитрид кремния и ниобат лития.

Хотя оба материала высокопрозрачны в видимом диапазоне, ни один из них не обеспечивает большой настраиваемости. Фазовые модуляторы видимого спектра на основе этих материалов поэтому не только велики, но и энергозатратны: длина отдельных волноводных модуляторов варьируется от сотен микрон до нескольких миллиметров, а один модулятор потребляет десятки милливатт для фазовой настройки. Исследователи, пытающиеся достичь крупномасштабной интеграции — встраивания тысяч устройств на один микрочип — до сих пор сталкивались с этими громоздкими, энергопотребляющими устройствами.

Исследователи Columbia Engineering нашли решение этой проблемы — они разработали способ, основанный на микрокольцевых резонаторах, чтобы резко уменьшить и размер, и потребление энергии фазового модулятора видимого спектра, от одного миллиметра до 10 микрон, и от десятков милливатт для π фазовой настройки до менее одного милливатта.

Оптические резонаторы — это структуры с высокой степенью симметрии, такие как кольца, которые могут циклировать луч света много раз и переводить крошечные изменения показателя преломления в большую фазовую модуляцию. Резонаторы могут работать под разными условиями и поэтому должны использоваться осторожно. Например, если работа в режимах «недосвязанного» или «критически связанного», резонатор обеспечит только ограниченную фазовую модуляцию, и, что более проблематично, введет большую амплитудную вариацию в оптический сигнал. Последнее — крайне нежелательные оптические потери, потому что накопление даже умеренных потерь от отдельных фазовых модуляторов предотвратит их каскадирование для формирования цепи с достаточно большим выходным сигналом.

Для достижения полной 2π фазовой настройки и минимальной амплитудной вариации исследовательская команда выбрала работу микрокольца в режиме «сильно пересвязанного», условие, при котором сила связи между микрокольцом и «шинной» волноводом, подающим свет в кольцо, по крайней мере в 10 раз сильнее потерь микрокольца, которые в основном обусловлены оптическим рассеянием на наноскопической шероховатости боковых стенок устройства.

Команда разработала несколько стратегий для перевода устройств в сильно пересвязанный режим. Самой важной стало их изобретение адиабатической геометрии микрокольца, в которой кольцо плавно переходит между узкой шеей и широким животом, которые находятся на противоположных краях кольца. Узкая шея кольца облегчает обмен светом между шинным волноводом и микрокольцом, тем самым усиливая силу связи. Широкий живот кольца уменьшает оптические потери, потому что направляемый свет взаимодействует только с внешней боковой стенкой, а не внутренней стенкой расширенной части адиабатического микрокольца, существенно снижая оптическое рассеяние на шероховатости стенок.

В сравнительном исследовании адиабатических микроколец и обычных микроколец равномерной ширины, изготовленных рядом на том же чипе, команда обнаружила, что ни одно из обычных микроколец не удовлетворяло условию сильного пересвязывания — на самом деле, они страдали от очень плохих оптических потерь — в то время как 63% адиабатических микроколец продолжали работать в сильно пересвязанном режиме.

Их лучшие фазовые модуляторы, работающие на синем и зеленом цветах, которые являются самыми сложными участками видимого спектра, имеют радиус всего пять микрон, потребляют мощность 0,8 мВт для π фазовой настройки и вводят амплитудную вариацию менее 10 процентов. По словам исследователей, никакая предыдущая работа не демонстрировала такие компактные, энергоэффективные и низкопотерьные фазовые модуляторы на видимых длинах волн.

Исследователи отмечают, что хотя они нигде не близки к степени интеграции электроники, их работа существенно сокращает разрыв между фотонными и электронными переключателями. «Если предыдущие технологии модуляторов позволяли интегрировать только 100 волноводных фазовых модуляторов при заданном размере чипа и энергобюджете, теперь мы можем сделать это в 100 раз лучше и интегрировать 10 000 фазовых сдвигателей на чипе для реализации гораздо более сложных функций», — сказал профессор Нанфанг Ю.

Исследователи сейчас работают над демонстрацией видимого спектра LiDAR, состоящего из больших 2D массивов фазовых сдвигателей на основе адиабатических микроколец. Стратегии проектирования, используемые для их термооптических устройств видимого спектра, могут быть применены к электрооптическим модуляторам для уменьшения их отпечатков и напряжений управления и могут быть адаптированы в других спектральных диапазонах (например, ультрафиолет, телеком, средний инфракрасный и терагерц) и в других резонансных конструкциях за пределами микроколец.