Neues Gerät moduliert sichtbares Licht mit der kleinsten Stellfläche und dem niedrigsten Stromverbrauch

In den letzten Jahrzehnten sind Forscher von der Verwendung elektrischer Ströme zur Manipulation von Lichtwellen im Nahinfrarotbereich für Telekommunikationsanwendungen wie Hochgeschwindigkeits-5G-Netzwerke, Biosensoren auf einem Chip und fahrerlose Autos übergegangen. Dieses Forschungsgebiet, das als integrierte Photonik bekannt ist, entwickelt sich schnell, und die Forscher erforschen jetzt den kürzeren – sichtbaren – Wellenlängenbereich, um eine breite Palette neuer Anwendungen zu entwickeln. Dazu gehören Chip-Scale Light Detection and Ranging (LiDAR), Augmented/Virtual/Mixed Reality (AR/VR/MR)-Brillen, holografische Displays, Quanteninformationsverarbeitungschips und implantierbare optogenetische Sonden im Gehirn.

Das entscheidende Gerät für all diese Anwendungen im sichtbaren Bereich ist ein optischer Phasenmodulator, der die Phase einer Lichtwelle steuert, ähnlich wie die Phase von Funkwellen in drahtlosen Computernetzwerken moduliert wird. Mit einem Phasenmodulator können Forscher einen optischen On-Chip-Schalter bauen, der Licht in verschiedene Wellenleiterports leitet. Mit einem großen Netzwerk dieser optischen Schalter könnten Forscher ausgeklügelte integrierte optische Systeme schaffen, die die Lichtausbreitung auf einem winzigen Chip steuern könnten.

Phasenmodulatoren im sichtbaren Bereich sind jedoch sehr schwer herzustellen:Es gibt keine Materialien, die im sichtbaren Spektrum transparent genug sind und gleichzeitig eine große Durchstimmbarkeit bieten, entweder durch thermooptische oder elektrooptische Effekte. Derzeit sind die beiden am besten geeigneten Materialien Siliziumnitrid und Lithiumniobat.

Während beide im sichtbaren Bereich hochtransparent sind, bietet keines von beiden sehr viel Abstimmbarkeit. Auf diesen Materialien basierende Phasenmodulatoren für das sichtbare Spektrum sind daher nicht nur groß, sondern auch leistungshungrig:Die Länge einzelner wellenleiterbasierter Modulatoren reicht von Hunderten von Mikrometern bis zu mehreren Millimetern, und ein einzelner Modulator verbraucht mehrere zehn Milliwatt für die Phasenabstimmung. Forscher, die versuchten, eine groß angelegte Integration zu erreichen – das Einbetten von Tausenden von Geräten auf einem einzigen Mikrochip – wurden bisher von diesen sperrigen, energieverbrauchenden Geräten behindert.

Forscher von Columbia Engineering haben eine Lösung für dieses Problem gefunden – sie haben einen Weg entwickelt, der auf Mikroringresonatoren basiert, um sowohl die Größe als auch den Stromverbrauch eines Phasenmodulators für das sichtbare Spektrum von einem Millimeter auf 10 Mikrometer drastisch zu reduzieren mehrere zehn Milliwatt für die π-Phasenabstimmung auf unter ein Milliwatt.

Optische Resonatoren sind Strukturen mit einem hohen Grad an Symmetrie, wie etwa Ringe, die einen Lichtstrahl viele Male durchlaufen und winzige Änderungen des Brechungsindex in eine große Phasenmodulation übersetzen können. Resonatoren können unter verschiedenen Bedingungen betrieben werden und müssen daher sorgfältig verwendet werden. Wenn ein Resonator zum Beispiel im „untergekoppelten“ oder „kritisch gekoppelten“ Regime arbeitet, wird er nur eine begrenzte Phasenmodulation bereitstellen und, was noch problematischer ist, eine große Amplitudenvariation in das optische Signal einführen. Letzteres ist ein höchst unerwünschter optischer Verlust, da eine Akkumulation selbst mäßiger Verluste von einzelnen Phasenmodulatoren deren Kaskadierung zur Bildung einer Schaltung mit einem ausreichend großen Ausgangssignal verhindern wird.

Um eine vollständige 2π-Phasenabstimmung und minimale Amplitudenvariation zu erreichen, entschied sich das Forschungsteam dafür, einen Mikroring im „stark überkoppelten“ Bereich zu betreiben, einem Zustand, in dem die Kopplungsstärke zwischen dem Mikroring und dem „Bus“-Wellenleiter abnimmt der Licht in den Ring einspeist, ist mindestens 10-mal stärker als der Verlust des Mikrorings, was hauptsächlich auf optische Streuung an der nanoskaligen Rauheit an den Seitenwänden des Geräts zurückzuführen ist.

Das Team entwickelte mehrere Strategien, um die Geräte in den stark überkoppelten Bereich zu bringen. Die wichtigste war ihre Erfindung einer adiabatischen Mikroringgeometrie, bei der der Ring sanft zwischen einem schmalen Hals und einem breiten Bauch übergeht, die sich an den gegenüberliegenden Rändern des Rings befinden. Der schmale Hals des Rings erleichtert den Lichtaustausch zwischen dem Bus-Wellenleiter und dem Mikroring, wodurch die Kopplungsstärke erhöht wird. Der breite Bauch des Rings reduziert den optischen Verlust, da das geführte Licht nur mit der äußeren Seitenwand und nicht mit der inneren Seitenwand des erweiterten Teils des adiabatischen Mikrorings interagiert, wodurch die optische Streuung an der Seitenwandrauhigkeit erheblich reduziert wird.

In einer vergleichenden Studie von adiabatischen Mikroringen und konventionellen Mikroringen mit einheitlicher Breite, die Seite an Seite auf demselben Chip hergestellt wurden, stellte das Team fest, dass keiner der konventionellen Mikroringe die starke Überkopplungsbedingung erfüllte – sie litten sogar darunter sehr starke optische Verluste – während 63 % der adiabatischen Mikroringe im stark überkoppelten Bereich weiterarbeiteten.

Ihre besten Phasenmodulatoren, die bei den blauen und grünen Farben arbeiten, die die schwierigsten Teile des sichtbaren Spektrums sind, haben einen Radius von nur fünf Mikrometern, verbrauchen eine Leistung von 0,8 mW für die π-Phasenabstimmung und führen eine Amplitudenvariation von weniger als 10 ein Prozent. Laut den Forschern hat keine frühere Arbeit derart kompakte, energieeffiziente und verlustarme Phasenmodulatoren bei sichtbaren Wellenlängen demonstriert.

Die Forscher stellen fest, dass sie zwar noch lange nicht den Integrationsgrad der Elektronik erreicht haben, ihre Arbeit aber die Kluft zwischen photonischen und elektronischen Schaltern erheblich verringert. „Wenn frühere Modulatortechnologien nur die Integration von 100 Wellenleiter-Phasenmodulatoren bei einem bestimmten Chip-Footprint und Leistungsbudget ermöglichen, können wir das jetzt 100-mal besser und 10.000 Phasenschieber auf einem Chip integrieren, um viel ausgefeiltere Funktionen zu realisieren“, sagte Professor Nanfang Ja.

Die Forscher arbeiten nun daran, LiDAR-Vorteile im sichtbaren Spektrum zu demonstrieren Erstellung großer 2D-Arrays von Phasenschiebern basierend auf adiabatischen Mikroringen. Die Designstrategien, die für ihre thermooptischen Geräte im sichtbaren Spektrum eingesetzt werden, können auf elektrooptische Modulatoren angewendet werden, um deren Footprints und Ansteuerspannungen zu reduzieren, und können in anderen Spektralbereichen (z. B. Ultraviolett, Telekommunikation, mittleres Infrarot und Terahertz) angepasst werden. und in anderen Resonatorkonstruktionen jenseits von Mikroringen.