近年、各国の研究者が統合フォトニクスを利用して赤外線光波の操作を次々と実現し、高速5Gネットワーク、チップセンサー、自動運転車などに応用している。現在、この研究方向性の継続的な深化に伴い、研究者はより短い可視光帯域の徹底的な検出を実行し始め、チップレベルのLIDAR、AR/VR/MR（拡張/仮想/ハイブリッド）現実）メガネ、ホログラフィックディスプレイ、量子処理チップ、脳に埋め込まれた光遺伝学プローブなど。
光位相変調器の大規模集積は、オンチップ光ルーティングと自由空間波面整形のための光サブシステムの中核です。これら 2 つの主要な機能は、さまざまなアプリケーションの実現に不可欠です。しかし、可視光範囲の光位相変調器の場合、高透過率と高変調の要件を同時に満たすことは特に困難です。この要件を満たすためには、最適な窒化ケイ素やニオブ酸リチウム材料であっても、体積と消費電力を増やす必要があります。
この問題を解決するために、コロンビア大学の Michal Lipson と Nanfang Yu は、断熱マイクロリング共振器に基づいた窒化シリコン熱光学位相変調器を設計しました。彼らは、マイクロリング共振器が強い結合状態で動作することを証明しました。このデバイスは、最小限の損失で位相変調を実現できます。通常の導波路位相変調器と比較して、このデバイスはスペースと消費電力を少なくとも 1 桁削減できます。関連コンテンツはNature Photonicsに掲載されています。
窒化シリコンをベースとした集積フォトニクス分野の第一人者であるマイケル・リプソン氏は、「私たちが提案するソリューションの鍵は、光共振器を使用し、いわゆる強結合状態で動作することです」と述べた。
光共振器は対称性の高い構造であり、光ビームの複数のサイクルを通じて小さな屈折率変化を位相変化に変換できます。一般に、「結合中」と「結合中」の 3 つの異なる動作状態に分類できます。クリティカルカップリング」と「ストロングカップリング」です。このうち、「アンダーカップリング」は限られた位相変調しか提供できず、不必要な振幅変化を引き起こし、「クリティカルカップリング」は大幅な光損失を引き起こし、デバイスの実際の性能に影響を与えます。
完全な2π位相変調と最小限の振幅変化を達成するために、研究チームはマイクロリングを「強結合」状態で操作しました。マイクロリングと「バス」の間の結合強度は、マイクロリングの損失より少なくとも 10 倍高いです。一連の設計と最適化を経た後の最終構造は、次の図に示されています。幅が細くなった共鳴リングです。細い導波路部分により、「バス」とマイクロコイル間の光結合強度が向上します。幅広導波路部 側壁の光散乱を低減することで、マイクロリングの光損失を低減します。
この論文の筆頭著者である Heqing Huang 氏も次のように述べています。「私たちは、半径がわずか 5 μm、π 位相変調の消費電力がわずか 2 μm の小型、省エネ、極めて低損失の可視光位相変調器を設計しました。 0.8mW。導入される振幅変動は 10% 未満です。さらに珍しいのは、この変調器が可視スペクトルの中で最も困難な青と緑の帯域に対しても同様に効果的であるということです。」
Nanfang Yu氏はまた、電子製品の統合レベルには程遠いものの、彼らの研究によって光スイッチと電子スイッチの間のギャップは劇的に縮まったと指摘した。 「以前の変調器技術では、特定のチップの設置面積と電力バジェットを考慮して 100 個の導波管位相変調器しか統合できなかった場合、現在では同じチップ上に 10,000 個の移相器を統合して、より複雑な機能を実現できます。」
つまり、この設計方法を電気光学変調器に適用して、占有スペースと電圧消費を削減できます。他のスペクトル範囲や他の異なる共振器設計でも使用できます。現在、研究チームは、このようなマイクロリングに基づく位相シフターアレイで構成される可視スペクトルLIDARの実証に協力しています。将来的には、強化された光非線形性、新しいレーザー、新しい量子光学などの多くのアプリケーションにも適用できる可能性があります。
記事ソース:https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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投稿時間: 2023 年 3 月 29 日