Novo dispositivo modula a luz visível com o menor espaço e menor consumo de energia

Nas últimas décadas, os pesquisadores passaram do uso de correntes elétricas para a manipulação de ondas de luz na faixa do infravermelho próximo para aplicações de telecomunicações, como redes 5G de alta velocidade, biossensores em um chip e carros autônomos. Essa área de pesquisa, conhecida como fotônica integrada, está evoluindo rapidamente, e os pesquisadores estão agora explorando a faixa de comprimento de onda mais curta – visível – para desenvolver uma ampla variedade de aplicações emergentes. Estes incluem detecção e alcance de luz em escala de chip (LiDAR), óculos de realidade aumentada/virtual/mista (AR/VR/MR), displays holográficos, chips de processamento de informações quânticas e sondas optogenéticas implantáveis ​​no cérebro.

O único dispositivo crítico para todas essas aplicações na faixa visível é um modulador de fase óptico, que controla a fase de uma onda de luz, semelhante à forma como a fase das ondas de rádio é modulada em redes de computadores sem fio. Com um modulador de fase, os pesquisadores podem construir um switch óptico no chip que canaliza a luz para diferentes portas de guia de onda. Com uma grande rede desses comutadores ópticos, os pesquisadores poderiam criar sistemas ópticos integrados sofisticados que poderiam controlar a propagação da luz em um pequeno chip.

Mas os moduladores de fase na faixa do visível são muito difíceis de fazer:não há materiais que sejam suficientemente transparentes no espectro visível e, ao mesmo tempo, forneçam grande sintonização, seja por meio de efeitos termo-ópticos ou eletro-ópticos. Atualmente, os dois materiais mais adequados são o nitreto de silício e o niobato de lítio.

Embora ambos sejam altamente transparentes na faixa visível, nenhum deles oferece muita capacidade de ajuste. Os moduladores de fase de espectro visível baseados nesses materiais não são apenas grandes, mas também consomem muita energia:o comprimento dos moduladores baseados em guias de onda individuais varia de centenas de mícrons a vários milímetros, e um único modulador consome dezenas de miliwatts para ajuste de fase. Os pesquisadores que tentam alcançar a integração em larga escala – incorporando milhares de dispositivos em um único microchip – até agora foram frustrados por esses dispositivos volumosos e que consomem energia.

Os pesquisadores da Columbia Engineering encontraram uma solução para esse problema - eles desenvolveram uma maneira baseada em ressonadores de micro-anel para reduzir drasticamente o tamanho e o consumo de energia de um modulador de fase de espectro visível, de um milímetro para 10 mícrons, e de dezenas de miliwatts para sintonia de fase π abaixo de um miliwatt.

Os ressonadores ópticos são estruturas com alto grau de simetria, como anéis, que podem alternar um feixe de luz muitas vezes e traduzir pequenas mudanças no índice de refração em uma grande modulação de fase. Os ressonadores podem operar em diferentes condições e, portanto, precisam ser usados ​​com cuidado. Por exemplo, se estiver operando nos regimes “subacoplado” ou “acoplado crítico”, um ressonador fornecerá apenas modulação de fase limitada e, mais problemática, introduzirá uma grande variação de amplitude no sinal óptico. A última é uma perda óptica altamente indesejável porque o acúmulo de perdas mesmo moderadas de moduladores de fase individuais impedirá sua cascata para formar um circuito que tenha um sinal de saída suficientemente grande.

Para obter uma sintonia completa de fase 2π e variação mínima de amplitude, a equipe de pesquisa optou por operar um micro-anel no regime “fortemente sobreacoplado”, condição na qual a força de acoplamento entre o micro-anel e o guia de ondas “barramento” que alimenta a luz no anel é pelo menos 10 vezes mais forte do que a perda do microanel, que é principalmente devido à dispersão óptica na rugosidade em nanoescala nas paredes laterais do dispositivo.

A equipe desenvolveu várias estratégias para empurrar os dispositivos para o regime fortemente acoplado. O mais importante foi a invenção de uma geometria de micro-anel adiabático, na qual o anel transita suavemente entre um pescoço estreito e uma barriga larga, que estão nas bordas opostas do anel. O pescoço estreito do anel facilita a troca de luz entre o guia de ondas do barramento e o micro-anel, aumentando assim a força de acoplamento. A barriga larga do anel reduz a perda óptica porque a luz guiada interage apenas com a parede lateral externa, não com a parede lateral interna, da porção alargada do microanel adiabático, reduzindo substancialmente a dispersão óptica na rugosidade da parede lateral.

Em um estudo comparativo de micro-anéis adiabáticos e micro-anéis convencionais com largura uniforme fabricados lado a lado no mesmo chip, a equipe descobriu que nenhum dos micro-anéis convencionais satisfez a forte condição de sobreacoplamento - na verdade, eles sofreram perdas ópticas muito ruins - enquanto 63% dos micro-anéis adiabáticos continuaram operando no regime fortemente sobreacoplado.

Seus melhores moduladores de fase operando nas cores azul e verde, que são as porções mais difíceis do espectro visível, têm um raio de apenas cinco mícrons, consomem potência de 0,8 mW para sintonia de fase π e introduzem uma variação de amplitude inferior a 10 por cento. De acordo com os pesquisadores, nenhum trabalho anterior demonstrou moduladores de fase tão compactos, eficientes em termos de energia e de baixa perda em comprimentos de onda visíveis.

Os pesquisadores observam que, embora não estejam nem perto do grau de integração da eletrônica, seu trabalho reduz substancialmente a lacuna entre os comutadores fotônicos e eletrônicos. “Se as tecnologias de modulador anteriores permitem apenas a integração de 100 moduladores de fase de guia de onda, dado uma certa pegada de chip e orçamento de energia, agora podemos fazer isso 100 vezes melhor e integrar 10.000 defasadores em um chip para realizar funções muito mais sofisticadas”, disse o professor Nanfang. Yu.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para demonstrar os cons do LiDAR de espectro visível isting de grandes matrizes 2D de defasadores baseados em micro-anéis adiabáticos. As estratégias de projeto empregadas para seus dispositivos termo-ópticos de espectro visível podem ser aplicadas a moduladores eletro-ópticos para reduzir suas pegadas e tensões de acionamento e podem ser adaptadas em outras faixas espectrais (por exemplo, ultravioleta, telecomunicações, infravermelho médio e terahertz). e em outros projetos de ressonadores além dos micro-anéis.