Ces dernières années, des chercheurs de différents pays ont utilisé la photonique intégrée pour manipuler les ondes infrarouges et les appliquer aux réseaux 5G à haut débit, aux capteurs sur puce et aux véhicules autonomes. Aujourd'hui, avec l'approfondissement constant de ce domaine de recherche, les chercheurs s'intéressent de plus près aux bandes spectrales plus courtes de la lumière visible et développent des applications plus vastes, telles que le LIDAR sur puce, les lunettes de réalité augmentée/virtuelle/hybride (RA/RV/RM), les écrans holographiques, les puces de traitement quantique et les sondes optogénétiques implantées dans le cerveau.
L'intégration à grande échelle des modulateurs de phase optiques est au cœur du sous-système optique pour le routage optique sur puce et la mise en forme du front d'onde en espace libre. Ces deux fonctions principales sont essentielles à la réalisation de nombreuses applications. Cependant, pour les modulateurs de phase optiques fonctionnant dans le domaine du visible, il est particulièrement difficile de satisfaire simultanément aux exigences de transmittance et de modulation élevées. Pour répondre à cette exigence, même les matériaux les plus adaptés, tels que le nitrure de silicium et le niobate de lithium, nécessitent une augmentation du volume et de la consommation d'énergie.
Pour résoudre ce problème, Michal Lipson et Nanfang Yu de l'Université Columbia ont conçu un modulateur de phase thermo-optique en nitrure de silicium basé sur un microrésonateur annulaire adiabatique. Ils ont démontré que ce microrésonateur fonctionne en régime de couplage fort. Le dispositif permet une modulation de phase avec des pertes minimales. Comparé aux modulateurs de phase à guide d'ondes classiques, il présente une réduction d'au moins un ordre de grandeur de l'encombrement et de la consommation d'énergie. Ces travaux ont été publiés dans la revue Nature Photonics.
Michal Lipson, expert reconnu dans le domaine de la photonique intégrée à base de nitrure de silicium, a déclaré : « La clé de notre solution réside dans l'utilisation d'un résonateur optique et son fonctionnement dans un état dit de couplage fort. »
Le résonateur optique est une structure hautement symétrique qui convertit une faible variation d'indice de réfraction en une variation de phase grâce à de multiples cycles de faisceaux lumineux. On distingue généralement trois états de fonctionnement : « sous-couplage », « couplage critique » et « couplage fort ». Le « sous-couplage » ne permet qu'une modulation de phase limitée et induit des variations d'amplitude indésirables, tandis que le « couplage critique » engendre des pertes optiques importantes, affectant ainsi les performances réelles du dispositif.
Pour obtenir une modulation de phase complète de 2π et une variation d'amplitude minimale, l'équipe de recherche a manipulé le microrésonateur en état de « couplage fort ». L'intensité du couplage entre le microrésonateur et le réseau est au moins dix fois supérieure aux pertes du microrésonateur. Après plusieurs phases de conception et d'optimisation, la structure finale est présentée dans la figure ci-dessous. Il s'agit d'un anneau résonant à largeur décroissante. La partie à guide d'ondes étroit améliore le couplage optique entre le réseau et la microbobine. La partie à guide d'ondes large réduit les pertes lumineuses du microrésonateur en diminuant la diffusion optique sur les parois latérales.
Heqing Huang, premier auteur de l'article, a également déclaré : « Nous avons conçu un modulateur de phase miniature, économe en énergie et à très faibles pertes pour la lumière visible, avec un rayon de seulement 5 µm et une consommation d'énergie de modulation de phase π de seulement 0,8 mW. La variation d'amplitude introduite est inférieure à 10 %. Plus rare encore, ce modulateur est tout aussi efficace pour les bandes bleues et vertes les plus difficiles du spectre visible. »
Nanfang Yu a également souligné que, même si l'intégration des produits électroniques n'est pas encore atteinte, leurs travaux ont considérablement réduit l'écart entre les commutateurs photoniques et électroniques. « Alors que la technologie de modulation précédente ne permettait d'intégrer que 100 modulateurs de phase à guide d'ondes, compte tenu de l'encombrement et de la consommation énergétique de la puce, nous pouvons désormais intégrer 10 000 déphaseurs sur une même puce pour réaliser des fonctions plus complexes. »
En résumé, cette méthode de conception peut être appliquée aux modulateurs électro-optiques afin de réduire l'encombrement et la consommation électrique. Elle peut également être utilisée dans d'autres gammes spectrales et pour d'autres types de résonateurs. Actuellement, l'équipe de recherche travaille à la démonstration d'un LIDAR fonctionnant dans le spectre visible, composé de réseaux de déphaseurs basés sur de tels microrésonateurs. À l'avenir, cette méthode pourrait trouver de nombreuses applications, notamment pour l'amélioration de la non-linéarité optique, le développement de nouveaux lasers et l'optique quantique.
Source de l'article : https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., située à Zhongguancun, la « Silicon Valley » chinoise, est une entreprise de haute technologie au service des institutions de recherche, instituts de recherche, universités et chercheurs d'entreprises, tant en Chine qu'à l'étranger. Notre société se consacre principalement à la recherche et au développement, à la conception, à la fabrication et à la vente de produits optoélectroniques. Nous proposons des solutions innovantes et des services professionnels et personnalisés aux chercheurs et ingénieurs industriels. Forte de plusieurs années d'innovation, notre entreprise a développé une gamme complète et performante de produits photoélectriques, largement utilisés dans les secteurs municipal, militaire, des transports, de l'énergie, de la finance, de l'éducation, de la santé et bien d'autres.
Nous nous réjouissons de coopérer avec vous !
Date de publication : 29 mars 2023