Ces dernières années, des chercheurs de divers pays ont utilisé la photonique intégrée pour réaliser successivement la manipulation des ondes lumineuses infrarouges et les appliquer aux réseaux 5G à haut débit, aux capteurs à puce et aux véhicules autonomes. À l'heure actuelle, avec l'approfondissement continu de cette direction de recherche, les chercheurs ont commencé à effectuer une détection approfondie de bandes de lumière visible plus courtes et à développer des applications plus étendues, telles que le LIDAR au niveau de la puce, l'AR/VR/MR (amélioré/virtuel/ hybride) Réalité) Lunettes, écrans holographiques, puces de traitement quantique, sondes optogénétiques implantées dans le cerveau, etc.
L'intégration à grande échelle de modulateurs de phase optiques constitue le 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 primaires sont essentielles à la réalisation de diverses applications. Cependant, pour les modulateurs de phase optiques dans la gamme de la lumière visible, il est particulièrement difficile de répondre simultanément aux exigences de transmission élevée et de modulation élevée. Pour répondre à cette exigence, même les matériaux en nitrure de silicium et en niobate de lithium les plus appropriés doivent augmenter le volume et la consommation d'énergie.
Pour résoudre ce problème, Michal Lipson et Nanfang Yu de l'Université de Columbia ont conçu un modulateur de phase thermo-optique en nitrure de silicium basé sur le résonateur adiabatique à micro-anneaux. Ils ont prouvé que le résonateur à micro-anneaux fonctionne dans un état de couplage fort. L'appareil peut réaliser une modulation de phase avec une perte minimale. Par rapport aux modulateurs de phase à guide d'ondes ordinaires, le dispositif présente une réduction d'au moins un ordre de grandeur en termes d'espace et de consommation d'énergie. Le contenu associé a été publié dans Nature Photonics.
Michal Lipson, un expert reconnu dans le domaine de la photonique intégrée basée sur le nitrure de silicium, a déclaré : « La clé de la solution que nous proposons est d'utiliser un résonateur optique et de fonctionner dans un état dit de couplage fort. »
Le résonateur optique est une structure hautement symétrique, qui peut convertir un petit changement d'indice de réfraction en un changement de phase au travers de plusieurs cycles de faisceaux lumineux. Généralement, il peut être divisé en trois états de fonctionnement différents : « sous couplage » et « sous couplage ». Couplage critique » et « couplage fort ». Parmi eux, le « sous-couplage » ne peut fournir qu'une modulation de phase limitée et introduira des changements d'amplitude inutiles, et le « couplage critique » entraînera une perte optique substantielle, affectant ainsi les performances réelles du dispositif.
Pour obtenir une modulation de phase 2π complète et un changement d'amplitude minimal, l'équipe de recherche a manipulé le microanneau 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 présentée dans la figure ci-dessous. Il s’agit d’un anneau résonant de largeur effilée. La partie étroite du guide d'onde améliore la force de couplage optique entre le « bus » et la micro-bobine. La partie guide d'onde large La perte de lumière du microring est réduite en réduisant la diffusion optique de la paroi latérale.
Heqing Huang, le premier auteur de l'article, a également déclaré : « Nous avons conçu un modulateur de phase de lumière visible miniature, économe en énergie et à perte extrêmement faible, avec un rayon de seulement 5 μm et une consommation électrique de modulation de phase π de seulement 0,8 mW. La variation d'amplitude introduite est inférieure à 10 %. Ce qui est plus rare, c'est que 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 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 modulateur précédente ne permettait que l'intégration de 100 modulateurs de phase à guide d'ondes compte tenu d'une certaine empreinte de puce et d'un certain budget de puissance, nous pouvons désormais intégrer 10 000 déphaseurs sur la même puce pour obtenir des fonctions plus complexes."
En bref, cette méthode de conception peut être appliquée aux modulateurs électro-optiques pour réduire l'espace occupé et la consommation de tension. Il peut également être utilisé dans d’autres plages spectrales et dans d’autres conceptions de résonateurs. À l'heure actuelle, l'équipe de recherche coopère pour démontrer le spectre visible LIDAR composé de réseaux de déphaseurs basés sur de tels microanneaux. À l’avenir, il pourra également être appliqué à de nombreuses applications telles que la non-linéarité optique améliorée, les nouveaux lasers et la nouvelle optique quantique.
Source de l'article :https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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Heure de publication : 29 mars 2023