Τα τελευταία χρόνια, ερευνητές από διάφορες χώρες έχουν χρησιμοποιήσει την ολοκληρωμένη φωτονική για να υλοποιήσουν διαδοχικά τον χειρισμό των υπέρυθρων κυμάτων φωτός και να τους εφαρμόσουν σε δίκτυα 5G υψηλής ταχύτητας, αισθητήρες τσιπ και αυτόνομα οχήματα. Σήμερα, με τη συνεχή εμβάθυνση αυτής της ερευνητικής κατεύθυνσης, οι ερευνητές έχουν αρχίσει να πραγματοποιούν εις βάθος ανίχνευση μικρότερων ζωνών ορατού φωτός και να αναπτύσσουν πιο εκτεταμένες εφαρμογές, όπως LIDAR σε επίπεδο τσιπ, γυαλιά AR/VR/MR (βελτιωμένης/εικονικής/υβριδικής) πραγματικότητας, ολογραφικές οθόνες, τσιπ κβαντικής επεξεργασίας, οπτογενετικούς ανιχνευτές εμφυτευμένους στον εγκέφαλο κ.λπ.
Η μεγάλης κλίμακας ενσωμάτωση οπτικών διαμορφωτών φάσης αποτελεί τον πυρήνα του οπτικού υποσυστήματος για την οπτική δρομολόγηση σε τσιπ και τη διαμόρφωση μετώπου κύματος σε ελεύθερο χώρο. Αυτές οι δύο κύριες λειτουργίες είναι απαραίτητες για την υλοποίηση διαφόρων εφαρμογών. Ωστόσο, για τους οπτικούς διαμορφωτές φάσης στην περιοχή του ορατού φωτός, είναι ιδιαίτερα δύσκολο να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις υψηλής διαπερατότητας και υψηλής διαμόρφωσης ταυτόχρονα. Για να ικανοποιηθεί αυτή η απαίτηση, ακόμη και τα πιο κατάλληλα υλικά νιτριδίου του πυριτίου και νιοβικού λιθίου πρέπει να αυξήσουν τον όγκο και την κατανάλωση ενέργειας.
Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, οι Michal Lipson και Nanfang Yu του Πανεπιστημίου Columbia σχεδίασαν έναν θερμοοπτικό διαμορφωτή φάσης από νιτρίδιο του πυριτίου βασισμένο στον αδιαβατικό μικροδακτυλιοειδή συντονιστή. Απέδειξαν ότι ο μικροδακτυλιοειδής συντονιστής λειτουργεί σε κατάσταση ισχυρής σύζευξης. Η συσκευή μπορεί να επιτύχει διαμόρφωση φάσης με ελάχιστες απώλειες. Σε σύγκριση με τους συνηθισμένους διαμορφωτές φάσης κυματοδηγού, η συσκευή έχει τουλάχιστον μια τάξη μεγέθους μείωση στον χώρο και την κατανάλωση ενέργειας. Το σχετικό περιεχόμενο έχει δημοσιευτεί στο Nature Photonics.
Ο Michal Lipson, κορυφαίος ειδικός στον τομέα της ολοκληρωμένης φωτονικής, που βασίζεται στο νιτρίδιο του πυριτίου, δήλωσε: «Το κλειδί για την προτεινόμενη λύση μας είναι η χρήση ενός οπτικού συντονιστή και η λειτουργία σε μια λεγόμενη κατάσταση ισχυρής σύζευξης».
Ο οπτικός συντονιστής έχει μια εξαιρετικά συμμετρική δομή, η οποία μπορεί να μετατρέψει μια μικρή αλλαγή δείκτη διάθλασης σε αλλαγή φάσης μέσω πολλαπλών κύκλων δέσμης φωτός. Γενικά, μπορεί να χωριστεί σε τρεις διαφορετικές καταστάσεις λειτουργίας: «υπό σύζευξη» και «υπό σύζευξη». «κρίσιμη σύζευξη» και «ισχυρή σύζευξη». Μεταξύ αυτών, η «υπό σύζευξη» μπορεί να παρέχει μόνο περιορισμένη διαμόρφωση φάσης και θα εισαγάγει περιττές αλλαγές πλάτους, ενώ η «κρίσιμη σύζευξη» θα προκαλέσει σημαντική οπτική απώλεια, επηρεάζοντας έτσι την πραγματική απόδοση της συσκευής.
Για να επιτευχθεί πλήρης διαμόρφωση φάσης 2π και ελάχιστη αλλαγή πλάτους, η ερευνητική ομάδα χειρίστηκε τον μικροδακτύλιο σε κατάσταση «ισχυρής σύζευξης». Η ισχύς σύζευξης μεταξύ του μικροδακτυλίου και του «διαύλου» είναι τουλάχιστον δέκα φορές υψηλότερη από την απώλεια του μικροδακτυλίου. Μετά από μια σειρά σχεδίων και βελτιστοποίησης, η τελική δομή φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Πρόκειται για έναν συντονισμένο δακτύλιο με κωνικό πλάτος. Το στενό τμήμα κυματοδηγού βελτιώνει την οπτική ισχύ σύζευξης μεταξύ του «διαύλου» και του μικρο-πηνίου. Το πλατύ τμήμα κυματοδηγού. Η απώλεια φωτός του μικροδακτυλίου μειώνεται μειώνοντας την οπτική σκέδαση του πλευρικού τοιχώματος.
Ο Heqing Huang, ο πρώτος συγγραφέας της εργασίας, δήλωσε επίσης: «Σχεδιάσαμε έναν μικροσκοπικό, ενεργειακά αποδοτικό και εξαιρετικά χαμηλής απώλειας διαμορφωτή φάσης ορατού φωτός με ακτίνα μόνο 5 μm και κατανάλωση ισχύος διαμόρφωσης π-φάσης μόνο 0,8 mW. Η εισαγόμενη μεταβολή πλάτους είναι μικρότερη από 10%. Αυτό που είναι πιο σπάνιο είναι ότι αυτός ο διαμορφωτής είναι εξίσου αποτελεσματικός για τις πιο δύσκολες μπλε και πράσινες ζώνες στο ορατό φάσμα».
Ο Nanfang Yu επεσήμανε επίσης ότι, παρόλο που απέχουν πολύ από το να φτάσουν στο επίπεδο ολοκλήρωσης ηλεκτρονικών προϊόντων, η εργασία τους έχει μειώσει δραματικά το χάσμα μεταξύ των φωτονικών διακοπτών και των ηλεκτρονικών διακοπτών. «Εάν η προηγούμενη τεχνολογία διαμορφωτή επέτρεπε την ενσωμάτωση μόνο 100 διαμορφωτών φάσης κυματοδηγού, δεδομένου ενός συγκεκριμένου αποτυπώματος τσιπ και προϋπολογισμού ισχύος, τότε μπορούμε τώρα να ενσωματώσουμε 10.000 μετατοπιστές φάσης στο ίδιο τσιπ για να επιτύχουμε πιο σύνθετη λειτουργία».
Εν ολίγοις, αυτή η μέθοδος σχεδιασμού μπορεί να εφαρμοστεί σε ηλεκτροοπτικούς διαμορφωτές για τη μείωση του καταλαμβανόμενου χώρου και της κατανάλωσης τάσης. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε άλλες φασματικές περιοχές και σε άλλα διαφορετικά σχέδια συντονιστών. Προς το παρόν, η ερευνητική ομάδα συνεργάζεται για να επιδείξει το LIDAR ορατού φάσματος που αποτελείται από συστοιχίες μετατόπισης φάσης που βασίζονται σε τέτοιους μικροδακτυλίους. Στο μέλλον, μπορεί επίσης να εφαρμοστεί σε πολλές εφαρμογές, όπως βελτιωμένη οπτική μη γραμμικότητα, νέα λέιζερ και νέα κβαντική οπτική.
Πηγή άρθρου: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Η Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd., που βρίσκεται στην «Silicon Valley» της Κίνας - Beijing Zhongguancun, είναι μια επιχείρηση υψηλής τεχνολογίας αφιερωμένη στην εξυπηρέτηση εγχώριων και ξένων ερευνητικών ιδρυμάτων, ερευνητικών ινστιτούτων, πανεπιστημίων και προσωπικού επιστημονικής έρευνας επιχειρήσεων. Η εταιρεία μας ασχολείται κυρίως με την ανεξάρτητη έρευνα και ανάπτυξη, το σχεδιασμό, την κατασκευή, τις πωλήσεις οπτοηλεκτρονικών προϊόντων και παρέχει καινοτόμες λύσεις και επαγγελματικές, εξατομικευμένες υπηρεσίες σε επιστημονικούς ερευνητές και βιομηχανικούς μηχανικούς. Μετά από χρόνια ανεξάρτητης καινοτομίας, έχει δημιουργήσει μια πλούσια και τέλεια σειρά φωτοηλεκτρικών προϊόντων, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως σε δημοτικές, στρατιωτικές, μεταφορές, ηλεκτρική ενέργεια, χρηματοοικονομικά, εκπαίδευση, ιατρική και άλλες βιομηχανίες.
Ανυπομονούμε για τη συνεργασία μαζί σας!
Ώρα δημοσίευσης: 29 Μαρτίου 2023