เครื่องปรับเฟสแสงที่มองเห็นได้ขนาดเล็กที่สุดพร้อมกำลังไฟต่ำสุดถือกำเนิดขึ้น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยจากหลายประเทศได้นำโฟโตนิกส์แบบบูรณาการมาใช้ในการจัดการคลื่นแสงอินฟราเรดอย่างต่อเนื่อง และนำไปประยุกต์ใช้กับเครือข่าย 5G ความเร็วสูง เซ็นเซอร์ชิป และยานยนต์ไร้คนขับ ปัจจุบัน ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องของทิศทางการวิจัยนี้ นักวิจัยจึงได้เริ่มดำเนินการตรวจจับคลื่นแสงที่มองเห็นได้ในระยะสั้นอย่างละเอียด และพัฒนาการประยุกต์ใช้งานที่ครอบคลุมมากขึ้น เช่น ไลดาร์ (LIDAR) ระดับชิป แว่นตา AR/VR/MR (แบบปรับปรุง/เสมือนจริง/แบบไฮบริด) จอแสดงผลโฮโลแกรม ชิปประมวลผลควอนตัม หัววัดออปโตเจเนติกส์ที่ฝังอยู่ในสมอง เป็นต้น

การผสานรวมตัวปรับเฟสแสงขนาดใหญ่เป็นหัวใจสำคัญของระบบย่อยแสงสำหรับการกำหนดเส้นทางแสงบนชิปและการปรับรูปทรงหน้าคลื่นในอวกาศว่าง ฟังก์ชันหลักทั้งสองนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการใช้งานที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม สำหรับตัวปรับเฟสแสงในช่วงแสงที่มองเห็นได้ การตอบสนองความต้องการด้านการส่งผ่านแสงสูงและการมอดูเลตสูงในเวลาเดียวกันนั้นถือเป็นความท้าทายอย่างยิ่ง เพื่อตอบสนองความต้องการนี้ แม้แต่วัสดุซิลิคอนไนไตรด์และลิเธียมไนโอเบตที่เหมาะสมที่สุดก็ยังต้องเพิ่มปริมาณและการใช้พลังงาน

เพื่อแก้ปัญหานี้ มิชาล ลิปสัน และ หนานฟาง หยู จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบีย ได้ออกแบบตัวปรับเฟสเทอร์โมออปติกซิลิคอนไนไตรด์ โดยอาศัยเรโซเนเตอร์ไมโครริงแบบอะเดียแบติก พวกเขาพิสูจน์ว่าเรโซเนเตอร์ไมโครริงทำงานในสถานะคัปปลิ้งที่แข็งแกร่ง อุปกรณ์นี้สามารถทำการมอดูเลตเฟสได้โดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับตัวปรับเฟสแบบท่อนำคลื่นทั่วไป อุปกรณ์นี้สามารถลดพื้นที่และการใช้พลังงานลงได้อย่างน้อยหนึ่งลำดับความสำคัญ เนื้อหาที่เกี่ยวข้องได้รับการตีพิมพ์ในวารสาร Nature Photonics

Michal Lipson ผู้เชี่ยวชาญชั้นนำในสาขาโฟโตนิกส์แบบบูรณาการที่ใช้ซิลิกอนไนไตรด์ กล่าวว่า “กุญแจสำคัญของโซลูชันที่เราเสนอคือการใช้เรโซเนเตอร์แบบออปติกและทำงานในสถานะที่เรียกว่าการมีคัปปลิ้งที่แข็งแกร่ง”

ตัวสะท้อนแสงมีโครงสร้างสมมาตรสูง ซึ่งสามารถแปลงการเปลี่ยนแปลงดัชนีหักเหแสงเพียงเล็กน้อยให้เป็นการเปลี่ยนเฟสผ่านลำแสงหลายรอบ โดยทั่วไปสามารถแบ่งได้เป็นสามสถานะการทำงาน ได้แก่ “under coupling” และ “under coupling” “critical coupling” และ “strong coupling” โดย “under coupling” จะให้การมอดูเลตเฟสได้จำกัด และจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดที่ไม่จำเป็น ส่วน “critical coupling” จะทำให้เกิดการสูญเสียแสงอย่างมาก ซึ่งจะส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพการทำงานของอุปกรณ์

เพื่อให้ได้การปรับเฟส 2π อย่างสมบูรณ์และการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดน้อยที่สุด ทีมวิจัยได้ควบคุมไมโครริงในสถานะ "การเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง" ความแข็งแรงของการเชื่อมต่อระหว่างไมโครริงและ "บัส" สูงกว่าการสูญเสียของไมโครริงอย่างน้อยสิบเท่า หลังจากการออกแบบและการปรับแต่งชุดหนึ่ง โครงสร้างสุดท้ายจะแสดงในรูปด้านล่าง นี่คือริงเรโซแนนซ์ที่มีความกว้างที่เรียวลง ส่วนท่อนำคลื่นที่แคบช่วยเพิ่มความแข็งแรงของการเชื่อมต่อทางแสงระหว่าง "บัส" และไมโครคอยล์ ส่วนท่อนำคลื่นที่กว้าง การสูญเสียแสงของไมโครริงลดลงโดยการลดการกระเจิงแสงของผนังด้านข้าง

เหอชิง หวง ผู้เขียนคนแรกของงานวิจัยนี้ กล่าวว่า “เราได้ออกแบบเครื่องปรับเฟสแสงที่มองเห็นได้ขนาดเล็ก ประหยัดพลังงาน และมีการสูญเสียพลังงานต่ำมาก โดยมีรัศมีเพียง 5 ไมโครเมตร และใช้พลังงานในการมอดูเลตเฟส π เพียง 0.8 มิลลิวัตต์ การเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดที่เกิดขึ้นน้อยกว่า 10% สิ่งที่หายากกว่าคือเครื่องปรับเฟสนี้มีประสิทธิภาพเท่าเทียมกันสำหรับแถบสีน้ำเงินและสีเขียวที่ยากที่สุดในสเปกตรัมที่มองเห็นได้”

หนานฟาง หยู ยังชี้ให้เห็นด้วยว่า ถึงแม้พวกเขาจะยังห่างไกลจากระดับการผสานรวมผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่ผลงานของพวกเขาก็ช่วยลดช่องว่างระหว่างสวิตช์โฟโตนิกส์และสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ลงอย่างมาก “หากเทคโนโลยีโมดูเลเตอร์รุ่นก่อนอนุญาตให้ผสานรวมโมดูเลเตอร์เฟสท่อนำคลื่นได้เพียง 100 ตัว ภายใต้ขนาดชิปและงบประมาณพลังงานที่กำหนด ตอนนี้เราสามารถผสานรวมตัวเลื่อนเฟส 10,000 ตัวไว้ในชิปเดียวกัน เพื่อให้ได้ฟังก์ชันการทำงานที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น”

กล่าวโดยสรุป วิธีการออกแบบนี้สามารถนำไปประยุกต์ใช้กับตัวปรับสัญญาณไฟฟ้าออปติกเพื่อลดการใช้พื้นที่และแรงดันไฟฟ้า นอกจากนี้ยังสามารถนำไปใช้ในช่วงสเปกตรัมอื่นๆ และการออกแบบเรโซเนเตอร์อื่นๆ ได้อีกด้วย ปัจจุบัน ทีมวิจัยกำลังร่วมมือกันเพื่อสาธิต LIDAR สเปกตรัมที่มองเห็นได้ ซึ่งประกอบด้วยอาร์เรย์ตัวเลื่อนเฟสที่ยึดตามไมโครริงดังกล่าว ในอนาคต ยังสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับแอปพลิเคชันต่างๆ มากมาย เช่น การปรับปรุงความไม่เชิงเส้นเชิงแสง เลเซอร์แบบใหม่ และออปติกควอนตัมแบบใหม่

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

บริษัท ปักกิ่ง โรเฟีย ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ จำกัด ตั้งอยู่ที่ “ซิลิคอนแวลลีย์” กรุงปักกิ่งจงกวนชุน มณฑลซานตง ประเทศจีน เป็นบริษัทเทคโนโลยีขั้นสูงที่มุ่งมั่นให้บริการแก่สถาบันวิจัย สถาบันวิจัย มหาวิทยาลัย และบุคลากรด้านการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ทั้งในและต่างประเทศ บริษัทของเราดำเนินธุรกิจหลักด้านการวิจัยและพัฒนา ออกแบบ ผลิต และจำหน่ายผลิตภัณฑ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อย่างอิสระ และนำเสนอโซลูชันที่เป็นนวัตกรรมและบริการระดับมืออาชีพเฉพาะบุคคลสำหรับนักวิจัยทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรอุตสาหกรรม หลังจากการพัฒนานวัตกรรมอย่างต่อเนื่องมาหลายปี บริษัทได้สร้างสรรค์ผลิตภัณฑ์โฟโตอิเล็กทริกที่หลากหลายและสมบูรณ์แบบ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น เทศบาล ทหาร การขนส่ง พลังงานไฟฟ้า การเงิน การศึกษา การแพทย์ และอุตสาหกรรมอื่นๆ

เรารอคอยที่จะร่วมมือกับคุณ!