โมดูเลเตอร์เฟสแสงที่มองเห็นได้เล็กที่สุดและมีกำลังต่ำสุดถือกำเนิดขึ้น

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยจากหลายประเทศได้ใช้โฟโตนิกแบบบูรณาการเพื่อจัดการกับคลื่นแสงอินฟราเรดอย่างต่อเนื่อง และนำไปใช้กับเครือข่าย 5G ความเร็วสูง เซ็นเซอร์ชิป และยานพาหนะอัตโนมัติ ปัจจุบัน ด้วยทิศทางการวิจัยที่เจาะลึกอย่างต่อเนื่อง นักวิจัยได้เริ่มดำเนินการตรวจจับในเชิงลึกของแถบแสงที่มองเห็นได้สั้นกว่า และพัฒนาการใช้งานที่ครอบคลุมมากขึ้น เช่น LIDAR ระดับชิป, AR/VR/MR (ปรับปรุง/เสมือน/ ไฮบริด) ความเป็นจริง) แว่นตา, การแสดงโฮโลแกรม, ชิปประมวลผลควอนตัม, โพรบออปโตเจเนติกส์ที่ฝังอยู่ในสมอง ฯลฯ

การบูรณาการขนาดใหญ่ของโมดูเลเตอร์เฟสแสงเป็นแกนหลักของระบบย่อยออปติคัลสำหรับการกำหนดเส้นทางออปติคัลบนชิปและการสร้างรูปร่างหน้าคลื่นในพื้นที่ว่าง ฟังก์ชันเบื้องต้นทั้งสองนี้จำเป็นต่อการใช้งานที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม สำหรับตัวปรับเฟสแสงในช่วงแสงที่มองเห็นได้ ถือเป็นความท้าทายอย่างยิ่งที่จะตอบสนองความต้องการของการส่งผ่านข้อมูลสูงและการปรับสัญญาณสูงในเวลาเดียวกัน เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดนี้ แม้แต่วัสดุซิลิคอนไนไตรด์และลิเธียมไนโอเบตที่เหมาะสมที่สุดก็ยังจำเป็นต้องเพิ่มปริมาณและการใช้พลังงาน

เพื่อแก้ปัญหานี้ Michal Lipson และ Nanfang Yu จากมหาวิทยาลัยโคลัมเบียได้ออกแบบตัวควบคุมเฟสเทอร์โมออปติกของซิลิคอนไนไตรด์โดยอาศัยตัวสะท้อนเสียงไมโครริงอะเดียแบติก พวกเขาพิสูจน์ว่าเครื่องสะท้อนเสียงแบบไมโครริงทำงานในสถานะคัปปลิ้งที่แข็งแกร่ง อุปกรณ์สามารถบรรลุการปรับเฟสโดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด เมื่อเปรียบเทียบกับโมดูเลเตอร์เฟสท่อนำคลื่นทั่วไป อุปกรณ์นี้มีลำดับความสำคัญในการลดขนาดพื้นที่และการใช้พลังงานเป็นอย่างน้อย เนื้อหาที่เกี่ยวข้องได้รับการเผยแพร่ใน Nature Photonics

Michal Lipson ผู้เชี่ยวชาญชั้นนำในด้านโฟโตนิกแบบบูรณาการที่ใช้ซิลิคอนไนไตรด์กล่าวว่า "กุญแจสำคัญในการแก้ปัญหาที่เรานำเสนอคือการใช้เครื่องสะท้อนคลื่นแสงและทำงานในสถานะที่เรียกว่าการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่ง"

ตัวสะท้อนแสงเป็นโครงสร้างที่มีความสมมาตรสูง ซึ่งสามารถแปลงการเปลี่ยนแปลงดัชนีการหักเหของแสงขนาดเล็กให้เป็นการเปลี่ยนเฟสโดยใช้ลำแสงหลายรอบ โดยทั่วไปสามารถแบ่งได้เป็น 3 สถานะการทำงานที่แตกต่างกัน: "ภายใต้การมีเพศสัมพันธ์" และ "ภายใต้การมีเพศสัมพันธ์" การมีเพศสัมพันธ์ที่สำคัญ” และ “การมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง” ในหมู่พวกเขา "ภายใต้การมีเพศสัมพันธ์" สามารถให้การมอดูเลตเฟสที่จำกัดเท่านั้น และจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดที่ไม่จำเป็น และ "การมีเพศสัมพันธ์ที่สำคัญ" จะทำให้เกิดการสูญเสียทางแสงอย่างมาก ซึ่งจะส่งผลต่อประสิทธิภาพที่แท้จริงของอุปกรณ์

เพื่อให้บรรลุการปรับเฟส 2π อย่างสมบูรณ์และการเปลี่ยนแปลงแอมพลิจูดน้อยที่สุด ทีมวิจัยได้จัดการไมโครริงในสถานะ "การมีเพศสัมพันธ์ที่แข็งแกร่ง" ความแข็งแรงของการคัปปลิ้งระหว่างไมโครริงและ "บัส" นั้นสูงกว่าการสูญเสียไมโครริงอย่างน้อยสิบเท่า หลังจากการออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพหลายชุด โครงสร้างสุดท้ายจะแสดงในรูปด้านล่าง นี่คือวงแหวนเรโซแนนซ์ที่มีความกว้างเรียว ส่วนท่อนำคลื่นแคบช่วยเพิ่มความแข็งแรงของการมีเพศสัมพันธ์ระหว่าง "บัส" และไมโครคอยล์ ส่วนท่อนำคลื่นแบบกว้าง การสูญเสียแสงของไมโครริงจะลดลงโดยลดการกระเจิงของแสงของผนังด้านข้าง

Heqing Huang ผู้เขียนรายงานฉบับแรกยังกล่าวอีกว่า "เราได้ออกแบบตัวปรับเฟสแสงที่มองเห็นได้ขนาดเล็ก ประหยัดพลังงาน และมีการสูญเสียต่ำมาก โดยมีรัศมีเพียง 5 μm และใช้พลังงานการมอดูเลตเฟส π เพียงเท่านั้น 0.8 มิลลิวัตต์ ความแปรผันของแอมพลิจูดที่แนะนำคือน้อยกว่า 10% สิ่งที่หายากกว่านั้นคือโมดูเลเตอร์นี้มีประสิทธิภาพเท่าเทียมกันกับแถบสีน้ำเงินและสีเขียวที่ยากที่สุดในสเปกตรัมที่มองเห็นได้”

Nanfang Yu ยังชี้ให้เห็นว่าแม้ว่าพวกเขาจะยังห่างไกลจากระดับของการบูรณาการผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ แต่งานของพวกเขาได้ลดช่องว่างระหว่างสวิตช์โฟโตนิกและสวิตช์อิเล็กทรอนิกส์ลงอย่างมาก “หากเทคโนโลยีโมดูเลเตอร์ก่อนหน้านี้อนุญาตให้รวมโมดูเลเตอร์เฟสท่อนำคลื่นได้ 100 ตัวโดยคำนึงถึงขนาดชิปและงบประมาณด้านพลังงานที่แน่นอน ตอนนี้เราสามารถรวมตัวเปลี่ยนเฟส 10,000 ตัวบนชิปตัวเดียวกันเพื่อให้ได้ฟังก์ชันที่ซับซ้อนมากขึ้น”

กล่าวโดยสรุป วิธีการออกแบบนี้สามารถนำไปใช้กับโมดูเลเตอร์ไฟฟ้าออปติกเพื่อลดพื้นที่ว่างและการใช้แรงดันไฟฟ้า นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในช่วงสเปกตรัมอื่นๆ และการออกแบบตัวสะท้อนเสียงอื่นๆ ได้อีกด้วย ปัจจุบันทีมวิจัยกำลังร่วมมือกันเพื่อสาธิต LIDAR สเปกตรัมที่มองเห็นได้ซึ่งประกอบด้วยอาร์เรย์ตัวเปลี่ยนเฟสตามไมโครริงดังกล่าว ในอนาคต ยังสามารถนำไปใช้กับการใช้งานหลายอย่าง เช่น ความไม่เชิงเส้นเชิงแสงที่ได้รับการปรับปรุง เลเซอร์ใหม่ และเลนส์ควอนตัมใหม่

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

Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd. ซึ่งตั้งอยู่ใน “Silicon Valley” ของจีน – Beijing Zhongguancun เป็นองค์กรเทคโนโลยีขั้นสูงที่อุทิศตนเพื่อให้บริการแก่สถาบันวิจัย สถาบันวิจัย มหาวิทยาลัย และบุคลากรการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ระดับองค์กรทั้งในประเทศและต่างประเทศ บริษัทของเราดำเนินธุรกิจหลักในการวิจัยและพัฒนา การออกแบบ การผลิต การขายผลิตภัณฑ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ และนำเสนอโซลูชั่นที่เป็นนวัตกรรมและบริการเฉพาะบุคคลระดับมืออาชีพสำหรับนักวิจัยทางวิทยาศาสตร์และวิศวกรอุตสาหกรรม หลังจากหลายปีแห่งการสร้างสรรค์นวัตกรรมที่เป็นอิสระ บริษัทก็ได้สร้างผลิตภัณฑ์โฟโตอิเล็กทริกที่หลากหลายและสมบูรณ์แบบ ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมเทศบาล การทหาร การขนส่ง พลังงานไฟฟ้า การเงิน การศึกษา การแพทย์ และอุตสาหกรรมอื่น ๆ

เรากำลังรอคอยที่จะร่วมมือกับคุณ!