Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu từ nhiều quốc gia đã sử dụng quang tử 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 phát triển không ngừng của hướng nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu thực hiện việc phát hiện sâu các dải ánh sáng khả kiến ngắn hơn và phát triển các ứng dụng mở rộng 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 cấy ghép trong não, v.v.
Việc tích hợp quy mô lớn các bộ điều biến pha quang là cốt lõi của hệ thống con quang học cho định tuyến quang trên chip và định hình mặt sóng 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 trong dải ánh sáng khả kiến, việc đáp ứng đồng thời các 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 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 điều chế pha với tổn thất tối thiểu. So với các bộ điều biến pha ống dẫn sóng thông thường, thiết bị này có mức giảm không gian và công suất tiêu thụ 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: “Chìa khóa cho giải pháp chúng tôi đề xuất là sử dụng bộ cộng hưởng quang học và hoạt động ở trạng thái liên kết mạnh”.
Bộ cộng hưởng quang học là một cấu trúc có tính đối xứng cao, có thể chuyển đổi một thay đổi chiết suất nhỏ thành một thay đổi pha thông qua nhiều chu kỳ chùm sáng. Nhìn chung, nó có thể được chia thành ba trạng thái hoạt động khác nhau: "liên kết dưới" và "liên kết dưới". "Liên kết tới hạn" và "liên kết mạnh". Trong đó, "liên kết dưới" chỉ có thể cung cấp điều chế pha hạn chế và sẽ gây ra những thay đổi biên độ không cần thiết, còn "liên kết 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 biên độ thay đổi tối thiểu, nhóm nghiên cứu đã điều khiển microring ở trạng thái "liên kết mạnh". Cường độ liên kết giữa microring và "bus" cao hơn ít nhất mười lần so với tổn thất của microring. Sau một loạt các thiết kế và tối ưu hóa, cấu trúc cuối cùng được thể hiện trong hình bên dưới. Đây là một vòng cộng hưởng có chiều rộng thuôn nhọn. Phần ống dẫn sóng hẹp cải thiện cường độ liên kết quang học giữa "bus" và cuộn dây vi mô. Phần ống dẫn sóng rộng Giảm tổn thất ánh sáng của microring bằng cách giảm tán xạ quang học của thành bên.
Heqing Huang, tác giả đầu tiên của bài báo, cũng cho biết: “Chúng tôi đã thiết kế một bộ điều biến pha ánh sáng khả kiến thu nhỏ, tiết kiệm năng lượng và có tổn thất cực thấp với bán kính chỉ 5 μm và mức tiêu thụ điện năng điều biến pha π chỉ 0,8 mW. Biến thiên biên độ được đưa vào nhỏ hơn 10%. Điều hiếm thấy hơn là bộ điều biến này có hiệu quả tương đương đối với các dải màu xanh lam và xanh lục khó nhất trong quang phổ khả kiến.”
Nanfang Yu cũng chỉ ra rằng mặc dù họ còn lâu mới đạt đến trình độ tích hợp các sản phẩm điện tử, nhưng công trình của họ đã thu hẹp đáng kể khoảng cách giữa công tắc quang tử và công tắc điện tử. "Nếu công nghệ điều chế trước đây chỉ cho phép tích hợp 100 bộ điều chế pha ống dẫn sóng với một 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 quang điện để giảm không gian chiếm dụng và điện áp tiêu thụ. Nó cũng có thể được sử dụng trong các dải phổ khác nhau và các thiết kế bộ cộng hưởng khác nhau. Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang hợp tác để chứng minh LIDAR phổ khả kiến được tạo thành từ các mảng dịch pha dựa trên các vi vòng như vậy. Trong tương lai, nó cũng có thể được áp dụng cho nhiều ứng dụng như tăng cường phi tuyến quang học, laser mới và quang học lượng tử mới.
Nguồn bài viết: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
Công ty TNHH Quang điện tử Rofea Bắc Kinh, tọa lạc tại "Thung lũng Silicon" của Trung Quốc - Trung Quan Thôn Bắc Kinh, là một doanh nghiệp công nghệ cao chuyên phục vụ các viện nghiên cứu, viện nghiên cứu, trường đại học và cán bộ nghiên cứu khoa học doanh nghiệp trong và ngoài nước. Công ty chúng tôi chủ yếu tham gia vào nghiên cứu và phát triển độc lập, thiết kế, sản xuất và kinh doanh các sản phẩm quang điện tử, đồng thời cung cấp các giải pháp tiên tiến và dịch vụ chuyên nghiệp, được 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 các sản phẩm quang điện phong phú và hoàn hảo, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp đô thị, quân sự, giao thông vận tải, điện lực, tài chính, giáo dục, y tế và các ngành công nghiệp khác.
Chúng tôi mong muốn được hợp tác với bạn!
Thời gian đăng: 29-03-2023