近年、各国の研究者が集積フォトニクスを用いて赤外線光波の制御を次々と実現し、高速5Gネットワーク、チップセンサー、自律走行車への応用を進めています。現在、この研究方向の継続的な深化に伴い、研究者はより短い可視光帯域の深層検出を行い、チップレベルのLIDAR、AR/VR/MR（拡張/仮想/ハイブリッド）リアリティグラス、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的プローブなど、より広範なアプリケーションの開発に着手しています。
光位相変調器の大規模集積化は、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を成しています。これら2つの主要機能は、様々なアプリケーションの実現に不可欠です。しかし、可視光域の光位相変調器の場合、高い透過率と高い変調度という要件を同時に満たすことは特に困難です。この要件を満たすには、最適な窒化シリコンやニオブ酸リチウム材料であっても、体積と消費電力が増大します。
この問題を解決するため、コロンビア大学のミハル・リプソン氏とナンファン・ユー氏は、断熱マイクロリング共振器をベースとしたシリコン窒化物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結合状態で動作することを実証しました。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。また、一般的な導波路位相変調器と比較して、実装面積と消費電力が少なくとも1桁削減されます。関連コンテンツはNature Photonicsに掲載されています。
シリコン窒化物をベースにした集積フォトニクス分野の第一人者であるミハル・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させることです」と述べています。
光共振器は対称性の高い構造であり、複数の光ビームサイクルを通じて、小さな屈折率変化を位相変化に変換することができます。一般的に、「アンダーカップリング」と「アンダーカップリング」、「臨界カップリング」と「強結合」の3つの異なる動作状態に分けられます。これらのうち、「アンダーカップリング」では位相変調が制限され、不要な振幅変化が生じます。一方、「臨界カップリング」では大きな光損失が発生し、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実現するために、研究チームはマイクロリングを「強結合」状態に操作しました。マイクロリングと「バス」間の結合強度は、マイクロリングの損失の少なくとも10倍です。一連の設計と最適化を経て、最終的な構造は下図のようになっています。これは、テーパー幅の共振リングです。狭い導波路部分は、「バス」とマイクロコイル間の光結合強度を向上させます。広い導波路部分は、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。
論文の筆頭著者である黄和清氏は、「半径わずか5μm、π位相変調の消費電力はわずか0.8mWという、小型で省エネ、かつ極めて低損失な可視光位相変調器を設計しました。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も同様に有効であることです。」と述べています。
南方宇氏は、電子製品の集積レベルにはまだ程遠いものの、今回の研究によって光子スイッチと電子スイッチのギャップが劇的に縮まったと指摘した。「従来の変調器技術では、チップ面積と消費電力の制約から、導波路位相変調器を100個しか集積できませんでしたが、今では同一チップ上に1万個の位相シフターを集積し、より複雑な機能を実現できるようになりました。」
つまり、この設計手法は電気光学変調器に適用でき、占有スペースと消費電圧を削減できます。また、他のスペクトル領域や異なる共振器設計にも適用できます。現在、研究チームは、このようなマイクロリングをベースとした位相シフタアレイで構成された可視スペクトルLIDARの実証に取り組んでいます。将来的には、光非線形性の強化、新しいレーザー、新しい量子光学など、多くの用途にも応用できる可能性があります。
記事出典：https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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投稿日時: 2023年3月29日