新しいデバイスは、最小のフットプリントと最小の消費電力で可視光を変調します

過去数十年にわたって、研究者は、電流の使用から、高速5Gネットワ​​ーク、チップ上のバイオセンサー、自動運転車などの通信アプリケーション向けの近赤外線範囲の光波の操作に移行しました。統合フォトニクスとして知られるこの研究分野は急速に進化しており、研究者たちは現在、より短い（可視）波長範囲を調査して、さまざまな新しいアプリケーションを開発しています。これらには、チップスケールの光検出および測距（LiDAR）、拡張/仮想/複合現実（AR / VR / MR）ゴーグル、ホログラフィックディスプレイ、量子情報処理チップ、脳内の埋め込み型オプトジェネティックプローブが含まれます。

可視範囲でこれらすべてのアプリケーションに重要な1つのデバイスは、光波の位相を制御する光位相変調器です。これは、無線コンピュータネットワークで電波の位相を変調する方法と同様です。位相変調器を使用すると、研究者は、光をさまざまな導波路ポートに導くオンチップ光スイッチを構築できます。これらの光スイッチの大規模なネットワークにより、研究者は小さなチップ上を伝搬する光を制御できる高度な統合光システムを作成できます。

しかし、可視範囲の位相変調器を作成するのは非常に困難です。可視スペクトルで十分に透明でありながら、熱光学効果または電気光学効果のいずれかによって大きな調整可能性を提供する材料はありません。現在、最も適切な2つの材料は、窒化ケイ素とニオブ酸リチウムです。

どちらも可視範囲で非常に透明ですが、どちらもあまり調整可能ではありません。したがって、これらの材料に基づく可視スペクトル位相変調器は、大きいだけでなく電力を消費します。個々の導波路ベースの変調器の長さは数百ミクロンから数ミリメートルの範囲であり、単一の変調器は位相調整に数十ミリワットを消費します。大規模な統合（単一のマイクロチップに数千のデバイスを埋め込む）を実現しようとしている研究者は、これまで、これらのかさばるエネルギーを消費するデバイスに悩まされてきました。

コロンビアエンジニアリングの研究者は、この問題の解決策を発見しました。マイクロリング共振器に基づいて、可視スペクトル位相変調器のサイズと消費電力の両方を1ミリメートルから10ミクロンに、そして1ミリワット未満にπ位相調整する場合は数十ミリワット。

光共振器は、リングなどの対称性の高い構造であり、光のビームを何度も循環させ、小さな屈折率の変化を大きな位相変調に変換することができます。共振器はさまざまな条件下で動作する可能性があるため、慎重に使用する必要があります。たとえば、「アンダーカップリング」または「クリティカルカップリング」レジームで動作している場合、共振器は限られた位相変調しか提供せず、さらに問題なことに、光信号に大きな振幅変動をもたらします。後者は非常に望ましくない光損失です。なぜなら、個々の位相変調器からの適度な損失さえ蓄積すると、それらをカスケード接続して、十分に大きな出力信号を持つ回路を形成するのを防ぐからです。

完全な2π位相調整と最小の振幅変動を実現するために、研究チームは、マイクロリングと「バス」導波路の間の結合強度が「強く過剰結合」された状態でマイクロリングを動作させることを選択しました。リングに光を供給することは、マイクロリングの損失よりも少なくとも10倍強力です。これは主に、デバイスの側壁のナノスケールの粗さでの光散乱によるものです。

チームは、デバイスを強力に過剰結合された体制に押し込むためのいくつかの戦略を開発しました。最も重要なものは、断熱マイクロリング形状の発明でした。この形状では、リングは、リングの反対側の端にある狭い首と広い腹の間をスムーズに移行します。リングのネックが狭いため、バス導波路とマイクロリング間の光の交換が容易になり、結合強度が向上します。リングの広い腹は、誘導光が断熱マイクロリングの広い部分の内側の側壁ではなく外側の側壁とのみ相互作用するため、光損失を低減し、側壁の粗さでの光散乱を大幅に低減します。

断熱マイクロリングと同じチップ上に並べて製造された均一な幅の従来のマイクロリングの比較研究で、チームは、従来のマイクロリングのいずれも強い過結合条件を満たさないことを発見しました。実際、それらは苦しんでいました。非常に悪い光損失—断熱マイクロリングの63％は、強く過剰に結合された領域で動作し続けました。

可視スペクトルの最も難しい部分である青と緑の色で動作する最高の位相変調器は、半径がわずか5ミクロンで、π位相調整に0.8 mWの電力を消費し、10未満の振幅変動をもたらします。パーセント。研究者によると、可視波長でこのようなコンパクトで電力効率が高く、低損失の位相変調器を実証した先行研究はありません。

研究者たちは、彼らが電子機器の統合の程度にはほど遠いものの、彼らの仕事はフォトニックスイッチと電子スイッチの間のギャップを大幅に縮小していると述べています。 「以前の変調器技術で、特定のチップフットプリントと電力バジェットが与えられた場合に100個の導波管位相変調器のみを統合できる場合、今ではそれを100倍改善し、10,000個の移相器をチップに統合してはるかに高度な機能を実現できます」とNanfang教授は述べています。ゆう。

研究者たちは現在、可視スペクトルLiDAR con sのデモンストレーションに取り組んでいます。 断熱マイクロリングに基づく移相器の大きな2Dアレイの使用。可視スペクトル熱光学デバイスに採用されている設計戦略は、電気光学変調器に適用してフットプリントと駆動電圧を低減し、他のスペクトル範囲（紫外線、テレコム、中赤外線、テラヘルツなど）に適合させることができます。およびマイクロリングを超えた他の共振器設計。