Modulador de Luz Visível Ultra-Miniatura e Baixo Consumo Estabelece Novo Padrão da Indústria

Nas últimas décadas, pesquisadores passaram de usar correntes elétricas a manipular ondas de luz na faixa do infravermelho próximo para aplicações de telecomunicações, como redes 5G de alta velocidade, biossensores em chip e carros autônomos. Esta área de pesquisa, conhecida como fotônica integrada, está evoluindo rapidamente, e investigadores agora estão explorando a faixa de comprimento de onda mais curta — visível — para desenvolver uma ampla variedade de aplicações emergentes. Estas 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 informação quântica 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, similar a como a fase de ondas de rádio é modulada em redes de computadores sem fio. Com um modulador de fase, pesquisadores podem construir um interruptor óptico em chip que canaliza luz para diferentes portas de guia de onda. Com uma grande rede desses interruptores ópticos, pesquisadores poderiam criar sistemas ópticos integrados sofisticados que poderiam controlar luz propagando-se em um minúsculo chip.

Mas moduladores de fase na faixa visível são muito difíceis de fazer: não existem materiais que sejam transparentes o suficiente no espectro visível enquanto também fornecem grande ajustabilidade, seja através de efeitos termo-ópticos ou eletro-ópticos. Atualmente, os dois materiais mais adequados são nitreto de silício e niobato de lítio.

Embora ambos sejam altamente transparentes na faixa visível, nenhum fornece muita ajustabilidade. Moduladores de fase de espectro visível baseados nesses materiais são, portanto, não apenas grandes, mas também consumidores de energia: o comprimento de 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. Pesquisadores tentando alcançar integração em larga escala — incorporar milhares de dispositivos em um único microchip — têm, até agora, sido impedidos por esses dispositivos volumosos e consumidores de energia.

Pesquisadores da Columbia Engineering encontraram uma solução para este problema — desenvolveram um método baseado em ressonadores de micro-anel para reduzir drasticamente tanto o tamanho quanto o consumo de energia de um modulador de fase de espectro visível, de um milímetro para 10 mícrons, e de dezenas de miliwatts para ajuste de fase π para abaixo de um miliwatt.

Ressonadores ópticos são estruturas com alto grau de simetria, como anéis, que podem ciclar um feixe de luz muitas vezes e traduzir minúsculas mudanças de índice de refração para uma grande modulação de fase. Ressonadores podem operar sob diferentes condições e, portanto, precisam ser usados com cuidado. Por exemplo, se operando nos regimes "sub-acoplado" ou "criticamente acoplado", um ressonador fornecerá apenas modulação de fase limitada e, mais problemático, introduzirá uma grande variação de amplitude no sinal óptico. O último é uma perda óptica altamente indesejável porque a acumulação de perdas mesmo moderadas de moduladores de fase individuais impedirá cascateá-los para formar um circuito que tenha um sinal de saída suficientemente grande.

Para alcançar um ajuste de fase completo de 2π e variação mínima de amplitude, a equipe de pesquisa escolheu operar um micro-anel no regime "fortemente super-acoplado", uma condição na qual a força de acoplamento entre o micro-anel e o guia de onda "barramento" que alimenta luz no anel é pelo menos 10 vezes mais forte que a perda do micro-anel, que é principalmente devido a espalhamento óptico na rugosidade nanométrica nas paredes laterais do dispositivo.

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

Em um estudo comparativo de micro-aneis adiabáticos e micro-aneis convencionais de largura uniforme fabricados lado a lado no mesmo chip, a equipe descobriu que nenhum dos micro-aneis convencionais satisfazia a condição de super-acoplamento forte — na verdade, sofriam perdas ópticas muito ruins — enquanto 63% dos micro-aneis adiabáticos mantinham operação no regime fortemente super-acoplado.

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

Os pesquisadores observam que, embora estejam longe do grau de integração da eletrônica, seu trabalho reduz substancialmente a lacuna entre interruptores fotônicos e eletrônicos. "Se tecnologias anteriores de moduladores só permitissem integração de 100 moduladores de fase de guia de onda dada uma certa área de chip e orçamento de energia, agora podemos fazer isso 100 vezes melhor e integrar 10.000 deslocadores de fase em um chip para realizar funções muito mais sofisticadas", disse o Professor Nanfang Yu.

Os pesquisadores agora estão trabalhando para demonstrar LiDAR de espectro visível consistindo de grandes arrays 2D de deslocadores de fase baseados em micro-aneis adiabáticos. As estratégias de design 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, telecom, infravermelho médio e terahertz) e em outros designs de ressonadores além de micro-aneis.