Ultra-miniaturisierter, energiesparender Visible-Light-Modulator setzt neuen Industriestandard

Über die vergangenen Jahrzehnte haben Forscher sich von der Nutzung elektrischer Ströme hin zur Manipulation von Lichtwellen im nahen Infrarotbereich für Telekommunikationsanwendungen wie Hochgeschwindigkeits-5G-Netze, Biosensoren auf Chips und autonomes Fahren bewegt. Dieses Forschungsgebiet, bekannt als integrierte Photonik, entwickelt sich rasant, und Forscher erforschen nun den kürzeren – sichtbaren – Wellenlängenbereich, um eine breite Palette neuer Anwendungen zu entwickeln. Dazu gehören chipskalige Lichtdetektion und Entfernungsmessung (LiDAR), Augmented/Virtual/Mixed-Reality-Brillen (AR/VR/MR), holografische Displays, Quanteninformationsverarbeitungs-Chips und implantierbare optogenetische Sonden im Gehirn.

Das eine Gerät, das für all diese Anwendungen im sichtbaren Bereich kritisch ist, ist ein optischer Phasenmodulator, der die Phase einer Lichtwelle steuert – ähnlich wie die Phase von Radiowellen in drahtlosen Computernetzwerken moduliert wird. Mit einem Phasenmodulator können Forscher einen auf dem Chip integrierten optischen Schalter bauen, der Licht in verschiedene Waveguide-Ports leitet. Mit einem großen Netzwerk dieser optischen Schalter könnten Forscher anspruchsvolle integrierte optische Systeme erstellen, die Licht steuern, das sich auf einem winzigen Chip ausbreitet.

Phasenmodulatoren im sichtbaren Bereich sind jedoch sehr schwer herzustellen: Es gibt keine Materialien, die im sichtbaren Spektrum transparent genug sind und gleichzeitig große Einstellbarkeit bieten, sei es durch thermo-optische oder elektro-optische Effekte. Derzeit sind die beiden geeignetsten Materialien Siliziumnitrid und Lithiumniobat.

Obwohl beide im sichtbaren Bereich hochtransparent sind, bietet keines davon große Einstellbarkeit. Sichtbare-Spektrum-Phasenmodulatoren basierend auf diesen Materialien sind daher nicht nur groß, sondern auch energiehungrig: Die Länge einzelner Waveguide-basierter Modulatoren reicht von hunderten Mikrometern bis zu mehreren Millimetern, und ein einzelner Modulator verbraucht zig Milliwatt für Phasenabstimmung. Forscher, die große Integration anstreben – das Einbetten tausender Geräte auf einem einzelnen Mikrochip – wurden bisher von diesen voluminösen, energieverbrauchenden Geräten behindert.

Forscher von Columbia Engineering haben eine Lösung für dieses Problem gefunden – sie entwickelten einen auf Mikroring-Resonatoren basierenden Weg, um sowohl die Größe als auch den Energieverbrauch eines sichtbaren-Spektrum-Phasenmodulators drastisch zu reduzieren, von einem Millimeter auf 10 Mikrometer und von zig Milliwatt für π-Phasenabstimmung auf unter ein Milliwatt.

Optische Resonatoren sind Strukturen mit hohem Symmetriegrad, wie Ringe, die einen Lichtstrahl vielfach zirkulieren lassen und winzige Brechungsindexänderungen in große Phasenmodulation übersetzen. Resonatoren können unter verschiedenen Bedingungen arbeiten und müssen daher sorgfältig eingesetzt werden. Beispielsweise bietet ein Resonator im „under-coupled“- oder „critical-coupled“-Regime nur begrenzte Phasenmodulation und führt problematischerweise zu großen Amplitudenschwankungen des optischen Signals. Letzteres ist ein hochunerwünschter optischer Verlust, da die Akkumulation selbst moderater Verluste von einzelnen Phasenmodulatoren verhindert, sie zu einer Schaltung zu kaskadieren, die ein ausreichend großes Ausgangssignal hat.

Um eine vollständige 2π-Phasenabstimmung und minimale Amplitudenvariation zu erreichen, entschied sich das Forschungsteam, einen Mikroring im „strongly over-coupled“-Regime zu betreiben, einer Bedingung, in der die Kopplungsstärke zwischen dem Mikroring und dem „Bus“-Waveguide, der Licht in den Ring einspeist, mindestens 10-mal stärker ist als der Verlust des Mikrorings, der hauptsächlich auf optische Streuung an der nanoskaligen Rauheit der Geräteseitenwände zurückzuführen ist.

Das Team entwickelte mehrere Strategien, um die Geräte in das stark überkoppelte Regime zu bringen. Die entscheidendste war ihre Erfindung einer adiabatischen Mikroring-Geometrie, bei der der Ring sanft zwischen einem schmalen Hals und einem breiten Bauch übergeht, die an den gegenüberliegenden Kanten des Rings liegen. Der schmale Hals des Rings erleichtert den Lichtaustausch zwischen dem Bus-Waveguide und dem Mikroring, was die Kopplungsstärke erhöht. Der breite Bauch des Rings reduziert optischen Verlust, da das geführte Licht nur mit der äußeren Seitenwand, nicht der inneren Seitenwand des verbreiterten Teils des adiabatischen Mikrorings interagiert, was optische Streuung an der Seitenwandrauheit erheblich reduziert.

In einer vergleichenden Studie von adiabatischen Mikroringen und konventionellen Mikroringen mit einheitlicher Breite, die nebeneinander auf demselben Chip gefertigt wurden, stellte das Team fest, dass keiner der konventionellen Mikroringe die starke Überkupplungsbedingung erfüllte – im Gegenteil, sie litten unter sehr schlechten optischen Verlusten – während 63 % der adiabatischen Mikroringe im stark überkoppelten Regime arbeiteten.

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

Die Forscher merken an, dass sie zwar noch weit vom Integrationsgrad der Elektronik entfernt sind, ihre Arbeit die Lücke zwischen photonischen und elektronischen Schaltern jedoch erheblich verkleinert. „Wenn frühere Modulatortechnologien nur die Integration von 100 Waveguide-Phasenmodulatoren bei gegebener Chip-Fläche und Energiebudget erlaubten, können wir das jetzt 100-mal besser machen und 10.000 Phasenschieber auf einem Chip integrieren, um weit anspruchsvollere Funktionen zu realisieren“, sagt Professor Nanfang Yu.

Die Forscher arbeiten nun daran, sichtbares-Spektrum-LiDAR zu demonstrieren, das aus großen 2D-Arrays von Phasenschiebern basierend auf adiabatischen Mikroringen besteht. Die Designstrategien, die für ihre sichtbaren-Spektrum-thermo-optischen Geräte eingesetzt wurden, können auf elektro-optische Modulatoren angewendet werden, um ihre Fußabdrücke und Ansteuerspannungen zu reduzieren, und können in andere Spektralbereiche (z. B. Ultraviolett, Telecom, Mittelinfrarot und Terahertz) und andere Resonatordesigns jenseits von Mikroringen adaptiert werden.