Viime vuosina eri maiden tutkijat ovat käyttäneet integroitua fotoniikkaa infrapunavalon aaltojen manipuloinnin toteuttamiseen ja soveltaneet niitä nopeisiin 5G-verkkoihin, siruantureihin ja autonomisiin ajoneuvoihin. Tällä hetkellä tämän tutkimussuunnan jatkuvan syventymisen myötä tutkijat ovat alkaneet suorittaa lyhyempien näkyvän valon kaistan syvällistä havaitsemista ja kehittää laajempia sovelluksia, kuten sirutason LIDAR, AR/VR/MR (parannettu/virtuaali/hybridi) todellisuuslasit, holografiset näytöt, kvanttiprosessointisirut, aivoihin istutetut optogeneettiset luotaimet jne.
Optisten vaihemodulaattoreiden laajamittainen integrointi on sirulle sijoitetun optisen reitityksen ja vapaan tilan aaltorintaman muotoilun optisen alijärjestelmän ydin. Nämä kaksi ensisijaista toimintoa ovat olennaisia erilaisten sovellusten toteuttamisessa. Näkyvän valon alueen optisten vaihemodulaattoreiden kohdalla on kuitenkin erityisen haastavaa täyttää samanaikaisesti sekä korkea läpäisykyky että korkea modulaatio. Tämän vaatimuksen täyttämiseksi jopa sopivimpien piinitridi- ja litiumniobaattimateriaalien on lisättävä tilavuutta ja tehonkulutusta.
Tämän ongelman ratkaisemiseksi Columbian yliopiston Michal Lipson ja Nanfang Yu suunnittelivat adiabaattiseen mikrorengasresonaattoriin perustuvan piinitridi-termo-optisen vaihemodulaattorin. He osoittivat, että mikrorengasresonaattori toimii vahvassa kytkentätilassa. Laite voi saavuttaa vaihemodulaation minimaalisilla häviöillä. Tavanomaisiin aaltojohtoisiin vaihemodulaattoreihin verrattuna laitteen tila ja tehonkulutus ovat ainakin kertaluokkaa pienemmät. Aiheeseen liittyvä sisältö on julkaistu Nature Photonics -lehdessä.
Michal Lipson, johtava asiantuntija piinitridiin perustuvan integroidun fotoniikan alalla, sanoi: "Ehdotetun ratkaisumme avain on käyttää optista resonaattoria ja toimia niin sanotussa vahvassa kytkentätilassa."
Optinen resonaattori on erittäin symmetrinen rakenne, joka voi muuntaa pienen taitekertoimen muutoksen vaihemuutokseksi useiden valonsäteiden syklien aikana. Yleisesti ottaen se voidaan jakaa kolmeen eri toimintatilaan: "alikytkentä" ja "alikytkentä", "kriittinen kytkentä" ja "vahva kytkentä". Näistä "alikytkentä" voi tarjota vain rajoitetun vaihemodulaation ja aiheuttaa tarpeettomia amplitudimuutoksia, ja "kriittinen kytkentä" aiheuttaa huomattavaa optista häviötä, mikä vaikuttaa laitteen todelliseen suorituskykyyn.
Saavuttaakseen täydellisen 2π-vaihemodulaation ja minimoidakseen amplitudimuutoksen, tutkimusryhmä manipuloi mikrorengasta "vahvan kytkennän" tilassa. Mikrorenkaan ja "väylän" välinen kytkentävoimakkuus on vähintään kymmenen kertaa suurempi kuin mikrorenkaan häviöt. Useiden suunnittelu- ja optimointitoimien jälkeen lopullinen rakenne on esitetty alla olevassa kuvassa. Tämä on resonanssirengas, jonka leveys on kapeneva. Kapea aaltojohdinosa parantaa "väylän" ja mikrokelan välistä optista kytkentävoimakkuutta. Leveä aaltojohdinosa Mikrorenkaan valohäviötä vähennetään vähentämällä sivuseinän optista sirontaa.
Artikkelin ensimmäinen kirjoittaja Heqing Huang sanoi myös: ”Olemme suunnitelleet pienoiskokoisen, energiaa säästävän ja erittäin vähän häviöitä aiheuttavan näkyvän valon vaihemodulaattorin, jonka säde on vain 5 μm ja π-vaihemodulaation tehonkulutus vain 0,8 mW. Käyttöön otettu amplitudivaihtelu on alle 10 %. Harvinaisempaa on, että tämä modulaattori on yhtä tehokas näkyvän spektrin vaikeimmille sinisille ja vihreille kaistoille.”
Nanfang Yu huomautti myös, että vaikka he ovat kaukana elektronisten tuotteiden integroinnin tasosta, heidän työnsä on kaventanut dramaattisesti kuilua fotonisten kytkimien ja elektronisten kytkimien välillä. ”Jos aiempi modulaattoriteknologia mahdollisti vain 100 aaltojohdevaihemodulaattorin integroinnin tietyllä sirun kokoalueella ja tehobudjetilla, niin nyt voimme integroida 10 000 vaiheensiirrintä samalle sirulle monimutkaisempien toimintojen saavuttamiseksi.”
Lyhyesti sanottuna tätä suunnittelumenetelmää voidaan soveltaa sähköoptisiin modulaattoreihin käytetyn tilan ja jännitteenkulutuksen vähentämiseksi. Sitä voidaan käyttää myös muilla spektrialueilla ja muissa erilaisissa resonaattorimalleissa. Tällä hetkellä tutkimusryhmä tekee yhteistyötä demonstroidakseen näkyvän spektrin LIDARia, joka koostuu tällaisiin mikrorenkaisiin perustuvista vaiheensiirtomatriiseista. Tulevaisuudessa sitä voidaan soveltaa myös moniin sovelluksiin, kuten parannettuun optiseen epälineaarisuuteen, uusiin lasereihin ja uuteen kvanttioptiikkaan.
Artikkelin lähde: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Kiinan "Piilaaksossa" – Pekingin Zhongguancunissa – sijaitseva Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd. on korkean teknologian yritys, joka on omistautunut palvelemaan kotimaisia ja ulkomaisia tutkimuslaitoksia, tutkimuslaitoksia, yliopistoja ja yritysten tieteellisen tutkimuksen henkilöstöä. Yrityksemme harjoittaa pääasiassa optoelektronisten tuotteiden itsenäistä tutkimus- ja kehitystyötä, suunnittelua, valmistusta ja myyntiä sekä tarjoaa innovatiivisia ratkaisuja ja ammattimaisia, yksilöllisiä palveluita tieteellisille tutkijoille ja teollisuusinsinööreille. Vuosien itsenäisen innovaatiotoiminnan jälkeen se on muodostanut rikkaan ja täydellisen sarjan valosähköisiä tuotteita, joita käytetään laajalti kunnallis-, sotilas-, liikenne-, sähkö-, rahoitus-, koulutus-, lääketieteen ja muilla teollisuudenaloilla.
Odotamme innolla yhteistyötä kanssanne!
Julkaisun aika: 29.3.2023