Ces dernières années, des chercheurs de divers pays ont utilisé la photonique intégrée pour manipuler les ondes lumineuses infrarouges et les appliquer aux réseaux 5G haut débit, aux capteurs à puce et aux véhicules autonomes. Aujourd'hui, grâce à l'approfondissement continu de cette orientation de recherche, les chercheurs ont commencé à effectuer une détection approfondie des bandes de lumière visible plus courtes et à développer des applications plus étendues, telles que le LIDAR à l'échelle de la puce, les lunettes de réalité augmentée/virtuelle/hybride (AR/VR/MR), les écrans holographiques, les puces de traitement quantique, les sondes optogénétiques implantées dans le cerveau, etc.
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 diverses applications. Cependant, pour les modulateurs de phase optiques dans le domaine de la lumière visible, il est particulièrement difficile de répondre simultanément aux exigences de transmittance et de modulation élevées. Pour y parvenir, même les matériaux en nitrure de silicium et en niobate de lithium les plus adaptés doivent augmenter leur volume et leur consommation énergétique.
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 résonateur adiabatique à micro-anneau. Ils ont démontré que ce dernier fonctionne en couplage fort. Ce 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 en termes d'encombrement et de consommation d'énergie. Le contenu associé a été publié dans Nature Photonics.
Michal Lipson, un expert de premier plan dans le domaine de la photonique intégrée, basée sur le nitrure de silicium, a déclaré : « La clé de notre solution proposée est d'utiliser un résonateur optique et de fonctionner dans un état de couplage fort. »
Le résonateur optique est une structure hautement symétrique, capable de convertir une faible variation d'indice de réfraction en changement de phase grâce à plusieurs cycles de faisceaux lumineux. Il se divise généralement en trois états de fonctionnement : « sous-couplage » et « sous-couplage ». « Couplage critique » et « couplage fort ». Parmi ces états, « sous-couplage » ne fournit qu'une modulation de phase limitée et induit des variations d'amplitude inutiles, tandis que « couplage critique » entraîne des pertes optiques importantes, affectant ainsi les performances réelles du dispositif.
Pour obtenir une modulation de phase 2π complète et une variation d'amplitude minimale, l'équipe de recherche a manipulé le micro-anneau dans un état de « couplage fort ». La force de couplage entre le micro-anneau et le « bus » est au moins dix fois supérieure à la perte du micro-anneau. Après une série de conceptions et d'optimisations, la structure finale est illustrée dans la figure ci-dessous. Il s'agit d'un anneau résonant de largeur conique. La partie guide d'ondes étroite améliore la force de couplage optique entre le « bus » et la micro-bobine. La partie guide d'ondes large réduit la perte lumineuse du micro-anneau en réduisant la diffusion optique de la paroi latérale.
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 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 aussi efficace pour les bandes bleues et vertes les plus difficiles du spectre visible. »
Nanfang Yu a également souligné que, même s'ils sont loin d'atteindre le niveau d'intégration des produits électroniques, leurs travaux ont considérablement réduit l'écart entre les commutateurs photoniques et les commutateurs électroniques. « Si la technologie de modulation précédente ne permettait l'intégration que de 100 modulateurs de phase à guide d'ondes pour une certaine empreinte et un budget de puissance donné, nous pouvons désormais intégrer 10 000 déphaseurs sur la même puce pour obtenir 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 de tension. Elle peut également être utilisée dans d'autres gammes spectrales et pour différents types de résonateurs. Actuellement, l'équipe de recherche collabore à la démonstration du LIDAR à spectre visible, composé de réseaux de déphaseurs basés sur de tels micro-anneaux. À l'avenir, elle pourra également être appliquée à de nombreuses applications telles que la non-linéarité optique améliorée, les nouveaux lasers et l'optique quantique.
Source de l'article : https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Date de publication : 29 mars 2023