Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu từ nhiều quốc gia đã sử dụng quang học tích hợp để lần lượt thực hiện việc điều khiển sóng ánh sáng hồng ngoại và ứng dụng chúng vào mạng 5G tốc độ cao, cảm biến chip và xe tự hành. Hiện nay, với sự nghiên cứu ngày càng chuyên sâu theo hướng này, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu thực hiện việc phát hiện sâu rộng các dải ánh sáng nhìn thấy ngắn hơn và phát triển các ứng dụng rộng rãi hơn, chẳng hạn như LIDAR cấp chip, kính AR/VR/MR (thực tế tăng cường/ảo/lai), màn hình ba chiều, chip xử lý lượng tử, đầu dò quang di truyền được cấy ghép vào não, v.v.
Việc tích hợp quy mô lớn các bộ điều biến pha quang học là cốt lõi của hệ thống con quang học cho định tuyến quang học trên chip và định hình sóng mặt trong không gian tự do. Hai chức năng chính này rất cần thiết cho việc hiện thực hóa nhiều ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, đối với các bộ điều biến pha quang học trong dải ánh sáng nhìn thấy, việc đáp ứng đồng thời yêu cầu về độ truyền dẫn cao và độ điều biến cao là một thách thức đặc biệt. Để đáp ứng yêu cầu này, ngay cả những vật liệu silicon nitride và lithium niobate phù hợp nhất cũng cần phải tăng thể tích và mức tiêu thụ điện năng.
Để giải quyết vấn đề này, Michal Lipson và Nanfang Yu thuộc Đại học Columbia đã thiết kế một bộ điều biến pha nhiệt quang silicon nitride dựa trên bộ cộng hưởng vi vòng đoạn nhiệt. Họ đã chứng minh rằng bộ cộng hưởng vi vòng hoạt động ở trạng thái ghép nối mạnh. Thiết bị có thể đạt được sự điều biến pha với tổn thất tối thiểu. So với các bộ điều biến pha dẫn sóng thông thường, thiết bị này có mức tiêu thụ không gian và điện năng giảm ít nhất một bậc. Nội dung liên quan đã được công bố trên tạp chí Nature Photonics.
Michal Lipson, một chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực quang tử tích hợp, dựa trên silicon nitride, cho biết: “Điểm mấu chốt trong giải pháp mà chúng tôi đề xuất là sử dụng bộ cộng hưởng quang học và hoạt động ở trạng thái gọi là ghép nối mạnh.”
Bộ cộng hưởng quang học là một cấu trúc có tính đối xứng cao, có thể chuyển đổi sự thay đổi nhỏ về chiết suất thành sự thay đổi pha thông qua nhiều chu kỳ của chùm tia sáng. Nhìn chung, nó có thể được chia thành ba trạng thái hoạt động khác nhau: “ghép nối yếu”, “ghép nối tới hạn” và “ghép nối mạnh”. Trong đó, “ghép nối yếu” chỉ có thể cung cấp khả năng điều chế pha hạn chế và sẽ gây ra những thay đổi biên độ không cần thiết, còn “ghép nối tới hạn” sẽ gây ra tổn thất quang học đáng kể, do đó ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế của thiết bị.
Để đạt được điều chế pha 2π hoàn chỉnh và thay đổi biên độ tối thiểu, nhóm nghiên cứu đã điều khiển vòng vi mô ở trạng thái “ghép nối mạnh”. Độ mạnh ghép nối giữa vòng vi mô và “đường truyền” ít nhất cao hơn mười lần so với tổn hao của vòng vi mô. Sau một loạt các thiết kế và tối ưu hóa, cấu trúc cuối cùng được thể hiện trong hình dưới đây. Đây là một vòng cộng hưởng có chiều rộng thu hẹp dần. Phần dẫn sóng hẹp cải thiện độ mạnh ghép nối quang học giữa “đường truyền” và cuộn dây vi mô. Phần dẫn sóng rộng giúp giảm tổn hao ánh sáng của vòng vi mô bằng cách giảm tán xạ quang học của thành bên.
Heqing Huang, tác giả chính của bài báo, cũng cho biết: “Chúng tôi đã thiết kế một bộ điều biến pha ánh sáng nhìn thấy thu nhỏ, tiết kiệm năng lượng và tổn hao cực thấp với bán kính chỉ 5 μm và công suất tiêu thụ điều biến pha π chỉ 0,8 mW. Độ biến thiên biên độ được tạo ra nhỏ hơn 10%. Điều hiếm gặp hơn nữa là bộ điều biến này có hiệu quả tương đương đối với cả dải màu xanh lam và xanh lục khó xử lý nhất trong quang phổ nhìn thấy.”
Nanfang Yu cũng chỉ ra rằng mặc dù còn lâu mới đạt đến mức độ tích hợp của các sản phẩm điện tử, nhưng công trình của họ đã thu hẹp đáng kể khoảng cách giữa các bộ chuyển mạch quang học và bộ chuyển mạch điện tử. “Nếu công nghệ điều biến trước đây chỉ cho phép tích hợp 100 bộ điều biến pha sóng dẫn với kích thước chip và ngân sách năng lượng nhất định, thì giờ đây chúng ta có thể tích hợp 10.000 bộ dịch pha trên cùng một chip để đạt được chức năng phức tạp hơn.”
Tóm lại, phương pháp thiết kế này có thể được áp dụng cho các bộ điều biến điện quang để giảm không gian chiếm dụng và mức tiêu thụ điện áp. Nó cũng có thể được sử dụng trong các dải phổ khác và các thiết kế cộng hưởng khác nhau. Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang hợp tác để chứng minh hệ thống LIDAR phổ nhìn thấy được cấu tạo từ các mảng dịch pha dựa trên các vòng vi mô như vậy. Trong tương lai, nó cũng có thể được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như tăng cường tính phi tuyến quang học, các loại laser mới và quang học lượng tử mới.
Nguồn bài viết: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Công ty TNHH Quang điện tử Bắc Kinh Rofea, tọa lạc tại “Thung lũng Silicon” của Trung Quốc – Bắc Kinh Zhongguancun, là một doanh nghiệp công nghệ cao chuyên phục vụ các viện nghiên cứu, trường đại học và cán bộ nghiên cứu khoa học trong và ngoài nước. Công ty chúng tôi chủ yếu hoạt động trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển độc lập, thiết kế, sản xuất, kinh doanh các sản phẩm quang điện tử, đồng thời cung cấp các giải pháp sáng tạo và dịch vụ chuyên nghiệp, cá nhân hóa cho các nhà nghiên cứu khoa học và kỹ sư công nghiệp. Sau nhiều năm đổi mới độc lập, công ty đã hình thành một loạt sản phẩm quang điện tử phong phú và hoàn thiện, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp như đô thị, quân sự, giao thông vận tải, điện lực, tài chính, giáo dục, y tế và nhiều ngành khác.
Chúng tôi rất mong được hợp tác với bạn!
Thời gian đăng bài: 29/03/2023