近年、各国の研究者は集積フォトニクスを用いて赤外線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きた。現在、この研究方向の継続的な深化に伴い、研究者たちはより短い可視光帯域の詳細な検出に着手し、チップレベルのLIDAR、AR/VR/MR（拡張現実/仮想現実/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、脳に埋め込む光遺伝学プローブなど、より広範な応用分野の開発を進めている。
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核となるものです。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、可視光領域の光位相変調器においては、高い透過率と高い変調度を同時に満たすことが特に困難です。この要求を満たすためには、最も適した窒化ケイ素やニオブ酸リチウムといった材料を用いても、体積と消費電力の増加が必要となります。
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に基づいた窒化ケイ素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。関連内容はNature Photonics誌に掲載されています。
窒化ケイ素をベースとした集積フォトニクスの分野における第一人者であるミハル・リプソン氏は、「我々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だ」と述べた。
光共振器は、光ビームの複数回のサイクルを通して、わずかな屈折率変化を位相変化に変換できる、非常に対称性の高い構造です。一般的に、動作状態は「アンダーカップリング」、「クリティカルカップリング」、「ストロングカップリング」の3つに分けられます。このうち、「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。「クリティカルカップリング」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の後、最終的な構造が下図に示されています。これは、幅がテーパー状になった共振リングです。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。広い導波路部分では、側壁の光散乱を減らすことでマイクロリングの光損失が低減されます。
論文の筆頭著者である黄河清氏は、「半径わずか5μm、π位相変調時の消費電力わずか0.8mWという、小型で省エネルギー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。さらに特筆すべきは、この変調器が可視光スペクトルの中でも最も扱いが難しい青色帯と緑色帯に対しても同様に効果的であることです」と述べています。
南方宇氏はまた、電子製品の集積レベルにはまだ程遠いものの、彼らの研究によってフォトニックスイッチと電子スイッチの間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、一定のチップサイズと電力予算内で100個の導波路位相変調器しか集積できなかったが、今では同じチップ上に1万個の位相シフターを集積して、より複雑な機能を実現できるようになった。」
要するに、この設計手法は電気光学変調器に適用することで、占有スペースと消費電力を削減できる。また、他のスペクトル範囲や異なる共振器設計にも応用可能である。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ーアレイで構成された可視光ライダーの実証に取り組んでいる。将来的には、光学的非線形性の向上、新型レーザー、新型量子光学など、多くの応用分野にも適用できるだろう。
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