Durante las últimas décadas, los investigadores han pasado de usar corrientes eléctricas a manipular ondas de luz en el rango del infrarrojo cercano para aplicaciones de telecomunicaciones como redes 5G de alta velocidad, biosensores en un chip y automóviles sin conductor. Esta área de investigación, conocidacomo fotónica integrada, está evolucionando rápidamente y los investigadores ahora están explorando el rango de longitud de onda más corto visible para desarrollar una amplia variedad de aplicaciones emergentes./ realidad virtual / mixta, pantallas holográficas, chips de procesamiento de información cuántica y sondas optogenéticas implantables en el cerebro.
El único dispositivo crítico para todas estas aplicaciones en el rango visible es un modulador de fase óptico, que controla la fase de una onda de luz, similar a cómo se modula la fase de las ondas de radio en las redes informáticas inalámbricas. Con un modulador de fase, los investigadorespuede construir un interruptor óptico en el chip que canaliza la luz hacia diferentes puertos de guía de ondas. Con una gran red de estos interruptores ópticos, los investigadores podrían crear sistemas ópticos integrados sofisticados que podrían controlar la propagación de la luz en un chip diminuto o la emisión de luz del chip.
Pero los moduladores de fase en el rango visible son muy difíciles de fabricar: no hay materiales que sean lo suficientemente transparentes en el espectro visible y al mismo tiempo proporcionen una gran capacidad de sintonización, ya sea a través de efectos termoópticos o electroópticos. Actualmente, los dos más adecuadosLos materiales son nitruro de silicio y niobato de litio. Si bien ambos son muy transparentes en el rango visible, ninguno proporciona mucha capacidad de sintonización. Los moduladores de fase de espectro visible basados en estos materiales no solo son grandes sino que también consumen mucha energía: la longitud de la guía de onda individualmoduladores basados en rangos de cientos de micrones a varios mm y un solo modulador consume decenas de mW para el ajuste de fase. Los investigadores que intentan lograr una integración a gran escala, incrustando miles de dispositivos en un solo microchip, hasta ahora, han sidobloqueado por estos voluminosos dispositivos que consumen energía.
Hoy, los investigadores de Columbia Engineering anunciaron que han encontrado una solución a este problema: han desarrollado una forma basada en resonadores de microanillos para reducir drásticamente tanto el tamaño como el consumo de energía de un modulador de fase de espectro visible, desdede un milímetro a 10 micrones, y de decenas de milivatios para el ajuste de fase π a menos de un milivatio. El estudio fue publicado hoy por Fotónica de la naturaleza.
"Por lo general, cuanto más grande sea algo, mejor. Pero los dispositivos integrados son una excepción notable", dijo Nanfang Yu, profesor asociado de física aplicada, co-investigador principal PI del equipo y experto en nanofotónica.Es realmente difícil confinar la luz a un punto y manipularla sin perder gran parte de su poder. Estamos entusiasmados de que en este trabajo hemos logrado un gran avance que ampliará enormemente el horizonte de la fotónica integrada de espectro visible a gran escala ".
Los moduladores de fase ópticos convencionales que operan en longitudes de onda visibles se basan en la propagación de la luz en guías de ondas. Yu trabajó con su colega Michal Lipson, quien es el principal experto en fotónica integrada basada en nitruro de silicio, para desarrollar un enfoque muy diferente.
"La clave de nuestra solución fue usar un resonador óptico y operarlo en el llamado régimen fuertemente acoplado", dijo Lipson, co-investigador principal del equipo y profesor de Ingeniería Eléctrica Eugene Higgins y profesor defísica.
Los resonadores ópticos son estructuras con un alto grado de simetría, como anillos que pueden ciclar un haz de luz muchas veces y traducir pequeños cambios de índice de refracción en una modulación de fase grande. Los resonadores pueden operar bajo varias condiciones diferentes y por lo tanto deben usarsePor ejemplo, si funciona en los regímenes "subacoplado" o "acoplado crítico", un resonador solo proporcionará una modulación de fase limitada y, lo que es más problemático, introducirá una gran variación de amplitud en la señal óptica. Este último es un elemento altamente indeseablepérdida óptica porque la acumulación de pérdidas incluso moderadas de los moduladores de fase individuales evitará que se conecten en cascada para formar un circuito que tenga una señal de salida suficientemente grande.
Para lograr una sintonización de fase 2π completa y una variación de amplitud mínima, el equipo de Yu-Lipson eligió operar un microanillo en el régimen de "fuertemente sobreacoplado", una condición en la que la fuerza de acoplamiento entre el microanillo y el ""La guía de onda del bus" que alimenta la luz al anillo es al menos 10 veces más fuerte que la pérdida del micro-anillo ". Esto último se debe principalmente a la dispersión óptica en la rugosidad a nanoescala de las paredes laterales del dispositivo", explicó Lipson. "Nunca se puedefabricar dispositivos fotónicos con superficies perfectamente lisas ".
El equipo desarrolló varias estrategias para empujar los dispositivos al régimen fuertemente acoplado. La más crucial fue su invención de una geometría de microanillos adiabáticos, donde el anillo pasa suavemente entre un cuello estrecho y un vientre ancho, que sonen los bordes opuestos del anillo. El cuello estrecho del anillo facilita el intercambio de luz entre la guía de ondas del bus y el micro-anillo, mejorando así la fuerza de acoplamiento. El vientre ancho del anillo reduce la pérdida óptica porque la luz guiada interactúa solo con elpared lateral exterior, no la pared lateral interior, de la parte ensanchada del microanillo adiabático, lo que reduce sustancialmente la dispersión óptica en la rugosidad de la pared lateral.
En un estudio comparativo de microanillos adiabáticos y microanillos convencionales con ancho uniforme fabricados uno al lado del otro en el mismo chip, el equipo descubrió que ninguno de los microanillos convencionales satisfacía la fuerte condición de sobreacoplamiento; de hecho, sufrieron pérdidas ópticas muy graves, mientras que el 63% de los microanillos adiabáticos siguieron funcionando en el régimen fuertemente acoplado.
"Nuestros mejores moduladores de fase que operan en los colores azul y verde, que son la parte más difícil del espectro visible, tienen un radio de solo cinco micrones, consumen una potencia de 0.8 mW para la sintonización de fase π e introducen una variación de amplitud demenos del 10% ", dijo Heqing Huang, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Yu y primer autor del artículo." Ningún trabajo anterior ha demostrado moduladores de fase tan compactos, eficientes en el consumo de energía y de baja pérdida en longitudes de onda visibles ".
Los dispositivos se diseñaron en el laboratorio de Yu y se fabricaron en la sala limpia de Columbia Nano Initiative, en las instalaciones de nanofabricación del Centro de investigación científica avanzada en el Centro de Graduados de la Universidad de la Ciudad de Nueva York y en las instalaciones de ciencia y tecnología de Cornell NanoScale. Caracterización del dispositivose llevó a cabo en los laboratorios de Lipson y Yu.
Los investigadores señalan que, si bien no están ni cerca del grado de integración de la electrónica, su trabajo reduce sustancialmente la brecha entre los interruptores fotónicos y electrónicos. "Si las tecnologías de modulador anteriores solo permiten la integración de 100 moduladores de fase de guía de onda dada una cierta huella de chip ypresupuesto de energía, ahora podemos hacerlo 100 veces mejor e integrar 10,000 cambiadores de fase en el chip para realizar funciones mucho más sofisticadas ", dijo Yu.
Los laboratorios de Lipson y Yu están colaborando ahora para demostrar LIDAR de espectro visible que consta de grandes conjuntos 2D de desfasadores basados en microanillos adiabáticos. Las estrategias de diseño empleadas para sus dispositivos termoópticos de espectro visible se pueden aplicar amoduladores ópticos para reducir sus huellas y activar voltajes, y se pueden adaptar en otros rangos espectrales por ejemplo, ultravioleta, telecomunicaciones, infrarrojo medio y THz y en otros diseños de resonadores más allá de los microanillos.
"Por lo tanto, nuestro trabajo puede inspirar esfuerzos futuros en los que las personas puedan implementar un sobreacoplamiento fuerte en una amplia gama de dispositivos basados en resonadores para mejorar las interacciones luz-materia, por ejemplo, para mejorar la no linealidad óptica, para hacer láseres novedosos, para observarefectos ópticos cuánticos novedosos, al tiempo que suprime las pérdidas ópticas al mismo tiempo ", dijo Lipson.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Columbia . Original escrito por Holly Evarts. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencia de la revista :
cite esta página :