อุปกรณ์ปรับเฟสแสงที่มองเห็นได้ขนาดเล็กที่สุดและใช้พลังงานต่ำที่สุดได้ถือกำเนิดขึ้นแล้ว

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยจากหลายประเทศได้ใช้เทคโนโลยีโฟโตนิกส์แบบบูรณาการเพื่อควบคุมคลื่นแสงอินฟราเรดและนำไปประยุกต์ใช้ในเครือข่าย 5G ความเร็วสูง เซ็นเซอร์ระดับชิป และยานยนต์ไร้คนขับ ปัจจุบัน ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของทิศทางการวิจัยนี้ นักวิจัยได้เริ่มทำการตรวจจับแถบแสงที่มองเห็นได้ในระยะเวลาสั้นลง และพัฒนาแอปพลิเคชันที่กว้างขวางมากขึ้น เช่น LIDAR ระดับชิป แว่นตา AR/VR/MR (ความเป็นจริงเสมือน/เสริม/ไฮบริด) จอแสดงผลโฮโลแกรม ชิปประมวลผลควอนตัม โพรบออปโตเจเนติกที่ฝังในสมอง เป็นต้น

การรวมตัวปรับเฟสแสงขนาดใหญ่เป็นหัวใจสำคัญของระบบย่อยทางแสงสำหรับการกำหนดเส้นทางแสงบนชิปและการปรับรูปร่างหน้าคลื่นในพื้นที่ว่าง หน้าที่หลักสองประการนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม สำหรับตัวปรับเฟสแสงในช่วงแสงที่มองเห็นได้ การที่จะตอบสนองความต้องการทั้งการส่งผ่านแสงสูงและการปรับเฟสสูงในเวลาเดียวกันนั้นเป็นเรื่องที่ท้าทายอย่างยิ่ง เพื่อตอบสนองความต้องการนี้ แม้แต่ซิลิคอนไนไตรด์และลิเธียมไนโอเบตที่เหมาะสมที่สุดก็จำเป็นต้องเพิ่มปริมาตรและการใช้พลังงาน

เพื่อแก้ปัญหานี้ Michal Lipson และ Nanfang Yu จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ได้ออกแบบตัวปรับเฟสแบบเทอร์โมออปติกที่ทำจากซิลิคอนไนไตรด์โดยใช้ไมโครริงเรโซเนเตอร์แบบอะเดียแบติก พวกเขาพิสูจน์แล้วว่าไมโครริงเรโซเนเตอร์ทำงานในสถานะการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง อุปกรณ์นี้สามารถปรับเฟสได้โดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด เมื่อเทียบกับตัวปรับเฟสแบบท่อนำคลื่นทั่วไป อุปกรณ์นี้มีขนาดและปริมาณการใช้พลังงานลดลงอย่างน้อยหนึ่งลำดับขนาด เนื้อหาที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ใน Nature Photonics แล้ว

มิคาล ลิปสัน ผู้เชี่ยวชาญชั้นนำในสาขาโฟโตนิกส์แบบบูรณาการโดยใช้ซิลิคอนไนไตรด์ กล่าวว่า “หัวใจสำคัญของโซลูชันที่เราเสนอคือการใช้ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงและทำงานในสถานะที่เรียกว่าการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง”

ตัวเรโซเนเตอร์เชิงแสงเป็นโครงสร้างที่มีความสมมาตรสูง ซึ่งสามารถแปลงการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหเล็กน้อยให้เป็นการเปลี่ยนแปลงเฟสผ่านลำแสงหลายรอบ โดยทั่วไปแล้ว สามารถแบ่งออกเป็นสามสถานะการทำงานที่แตกต่างกัน ได้แก่ “การเชื่อมต่อต่ำ” “การเชื่อมต่อวิกฤต” และ “การเชื่อมต่อสูง” ในบรรดาสถานะเหล่านี้ “การเชื่อมต่อต่ำ” จะให้การปรับเฟสได้จำกัดเท่านั้นและจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดที่ไม่จำเป็น และ “การเชื่อมต่อวิกฤต” จะทำให้เกิดการสูญเสียทางแสงอย่างมาก ซึ่งส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานจริงของอุปกรณ์

เพื่อให้ได้การปรับเฟส 2π อย่างสมบูรณ์และลดการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดให้น้อยที่สุด ทีมวิจัยได้ปรับแต่งไมโครริงให้อยู่ในสถานะ "การเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง" ความแข็งแรงของการเชื่อมต่อระหว่างไมโครริงและ "บัส" นั้นสูงกว่าการสูญเสียของไมโครริงอย่างน้อยสิบเท่า หลังจากการออกแบบและการปรับแต่งหลายขั้นตอน โครงสร้างสุดท้ายแสดงอยู่ในรูปด้านล่าง นี่คือวงแหวนเรโซแนนซ์ที่มีความกว้างเรียว ส่วนนำคลื่นที่แคบช่วยเพิ่มความแข็งแรงของการเชื่อมต่อทางแสงระหว่าง "บัส" และไมโครคอยล์ ส่วนนำคลื่นที่กว้างช่วยลดการสูญเสียแสงของไมโครริงโดยการลดการกระเจิงของแสงที่ผนังด้านข้าง

เหอฉิง ฮวง ผู้เขียนหลักของบทความ กล่าวเพิ่มเติมว่า “เราได้ออกแบบตัวปรับเฟสแสงที่มองเห็นได้ขนาดเล็ก ประหยัดพลังงาน และมีการสูญเสียต่ำมาก โดยมีรัศมีเพียง 5 ไมโครเมตร และใช้พลังงานในการปรับเฟสเพียง 0.8 มิลลิวัตต์ การเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดที่เกิดขึ้นน้อยกว่า 10% ที่หายากกว่านั้นคือ ตัวปรับเฟสนี้มีประสิทธิภาพเท่าเทียมกันสำหรับแถบสีน้ำเงินและสีเขียวที่ยากที่สุดในสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้”

หนานฟาง หยู ยังชี้ให้เห็นว่า แม้ว่างานของพวกเขาจะยังห่างไกลจากระดับการบูรณาการของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ก็ช่วยลดช่องว่างระหว่างสวิตช์โฟตอนิกส์และสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างมาก “หากเทคโนโลยีตัวปรับสัญญาณแบบเดิมอนุญาตให้รวมตัวปรับเฟสแบบท่อนำคลื่นได้เพียง 100 ตัว ภายใต้ขนาดชิปและงบประมาณด้านพลังงานที่กำหนดไว้ ตอนนี้เราสามารถรวมตัวปรับเฟสได้ถึง 10,000 ตัวบนชิปเดียวกัน เพื่อให้ได้ฟังก์ชันที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น”

กล่าวโดยสรุป วิธีการออกแบบนี้สามารถนำไปใช้กับตัวปรับสัญญาณแสงไฟฟ้าเพื่อลดพื้นที่ที่ใช้และลดการใช้พลังงาน นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในช่วงสเปกตรัมอื่นๆ และการออกแบบตัวเรโซเนเตอร์ที่แตกต่างกันได้อีกด้วย ปัจจุบัน ทีมวิจัยกำลังร่วมมือกันเพื่อสาธิต LIDAR ในช่วงสเปกตรัมที่มองเห็นได้ ซึ่งประกอบด้วยอาร์เรย์ตัวเปลี่ยนเฟสที่ใช้ไมโครริงดังกล่าว ในอนาคต มันยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในหลายๆ ด้าน เช่น การเพิ่มประสิทธิภาพของปรากฏการณ์ไม่เชิงเส้นทางแสง เลเซอร์แบบใหม่ และควอนตัมออปติกแบบใหม่

ที่มาของบทความ: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA

บริษัท ปักกิ่ง โรเฟีย ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ จำกัด ตั้งอยู่ใน "ซิลิคอนวัลเลย์" ของจีน – เขตจงกวนชุน กรุงปักกิ่ง เป็นบริษัทเทคโนโลยีขั้นสูงที่มุ่งมั่นให้บริการแก่สถาบันวิจัย สถาบันวิจัย มหาวิทยาลัย และบุคลากรด้านการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทั้งในและต่างประเทศ บริษัทของเราดำเนินธุรกิจหลักในการวิจัยและพัฒนา ออกแบบ ผลิต และจำหน่ายผลิตภัณฑ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อย่างอิสระ พร้อมทั้งนำเสนอโซลูชันที่เป็นนวัตกรรมและบริการระดับมืออาชีพเฉพาะบุคคลสำหรับนักวิจัยทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรอุตสาหกรรม หลังจากหลายปีของการคิดค้นนวัตกรรมอย่างอิสระ บริษัทได้พัฒนาผลิตภัณฑ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่หลากหลายและสมบูรณ์แบบ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น เทศบาล การทหาร การขนส่ง พลังงานไฟฟ้า การเงิน การศึกษา การแพทย์ และอื่นๆ

เราหวังเป็นอย่างยิ่งที่จะได้ร่วมมือกับคุณ!