Spektrum terlihat, kompak, hemat daya, modulator fase kerugian rendah adalah terobosan dalam fotonik terintegrasi;  perangkat akan meningkatkan LIDAR untuk penginderaan jauh, kacamata AR/VR, chip pemrosesan informasi kuantum, probe optogenetik implan, dan banyak lagi — ScienceDaily
Top News

Spektrum terlihat, kompak, hemat daya, modulator fase kerugian rendah adalah terobosan dalam fotonik terintegrasi; perangkat akan meningkatkan LIDAR untuk penginderaan jauh, kacamata AR/VR, chip pemrosesan informasi kuantum, probe optogenetik implan, dan banyak lagi — ScienceDaily

Selama beberapa dekade terakhir, para peneliti telah beralih dari menggunakan arus listrik ke memanipulasi gelombang cahaya dalam kisaran inframerah-dekat untuk aplikasi telekomunikasi seperti jaringan 5G berkecepatan tinggi, biosensor pada chip, dan mobil tanpa pengemudi. Area penelitian ini, yang dikenal sebagai fotonik terintegrasi, berkembang pesat dan para peneliti sekarang mengeksplorasi rentang panjang gelombang yang lebih pendek — terlihat — untuk mengembangkan berbagai aplikasi yang muncul. Ini termasuk LIDAR skala chip (deteksi dan jangkauan cahaya), kacamata AR/VR/MR (augmented/virtual/mixed reality), tampilan holografik, chip pemrosesan informasi kuantum, dan probe optogenetik implan di otak.

Satu-satunya perangkat yang penting untuk semua aplikasi ini dalam rentang yang terlihat adalah modulator fase optik, yang mengontrol fase gelombang cahaya, mirip dengan bagaimana fase gelombang radio dimodulasi dalam jaringan komputer nirkabel. Dengan modulator fase, peneliti dapat membangun sakelar optik on-chip yang menyalurkan cahaya ke port pemandu gelombang yang berbeda. Dengan jaringan besar sakelar optik ini, peneliti dapat membuat sistem optik terintegrasi canggih yang dapat mengontrol perambatan cahaya pada chip kecil atau emisi cahaya dari chip.

Tetapi modulator fase dalam rentang yang terlihat sangat sulit dibuat: tidak ada bahan yang cukup transparan dalam spektrum yang terlihat sementara juga memberikan tunabilitas yang besar, baik melalui efek termo-optik atau elektro-optik. Saat ini, dua bahan yang paling cocok adalah silikon nitrida dan lithium niobate. Meskipun keduanya sangat transparan dalam rentang yang terlihat, tidak ada yang memberikan tunabilitas yang sangat banyak. Modulator fase spektrum terlihat berdasarkan bahan ini tidak hanya besar tetapi juga haus daya: panjang modulator berbasis pandu gelombang individu berkisar dari ratusan mikron hingga beberapa mm dan modulator tunggal mengkonsumsi puluhan mW untuk penyetelan fase. Para peneliti yang mencoba untuk mencapai integrasi skala besar — menyematkan ribuan perangkat pada satu microchip tunggal — telah, hingga saat ini, terhalang oleh perangkat besar yang menghabiskan energi ini.

Hari ini, para peneliti Columbia Engineering mengumumkan bahwa mereka telah menemukan solusi untuk masalah ini — mereka telah mengembangkan cara berdasarkan resonator cincin mikro untuk secara dramatis mengurangi ukuran dan konsumsi daya modulator fase spektrum tampak, dari satu milimeter hingga 10 mikron, dan dari puluhan miliwatt untuk penyetelan fase hingga di bawah satu miliwatt. Studi ini diterbitkan hari ini oleh Fotonik Alam.

“Biasanya semakin besar sesuatu, semakin baik. Tapi perangkat terintegrasi adalah pengecualian,” kata Nanfang Yu, profesor fisika terapan, peneliti utama (PI) di tim, dan ahli nanofotonik. “Sangat sulit untuk membatasi cahaya pada satu titik dan memanipulasinya tanpa kehilangan banyak kekuatannya. Kami sangat senang bahwa dalam pekerjaan ini kami telah membuat terobosan yang akan sangat memperluas cakrawala fotonik terintegrasi spektrum tampak skala besar.”

Modulator fase optik konvensional yang beroperasi pada panjang gelombang tampak didasarkan pada perambatan cahaya dalam pandu gelombang. Yu bekerja dengan rekannya Michal Lipson, yang merupakan ahli terkemuka dalam fotonik terintegrasi berdasarkan silikon nitrida, untuk mengembangkan pendekatan yang sangat berbeda.

“Kunci dari solusi kami adalah menggunakan resonator optik dan mengoperasikannya dalam apa yang disebut dengan rezim over-coupled yang kuat,” kata Lipson, co-PI dalam tim dan Profesor Teknik Elektro Eugene Higgins dan profesor fisika terapan.

Resonator optik adalah struktur dengan tingkat simetri yang tinggi, seperti cincin yang dapat memutar berkas cahaya berkali-kali dan menerjemahkan perubahan indeks bias kecil ke modulasi fase besar. Resonator dapat beroperasi di bawah beberapa kondisi yang berbeda sehingga perlu digunakan dengan hati-hati. Misalnya, jika beroperasi dalam rezim “digabungkan di bawah” atau “digandeng kritis”, resonator hanya akan menyediakan modulasi fase terbatas dan, lebih bermasalah, memperkenalkan variasi amplitudo besar ke sinyal optik. Yang terakhir adalah kerugian optik yang sangat tidak diinginkan karena akumulasi kerugian moderat bahkan dari modulator fase individu akan mencegah mengalirkannya untuk membentuk sirkuit yang memiliki sinyal keluaran yang cukup besar.

Untuk mencapai penyetelan fase 2π yang lengkap dan variasi amplitudo minimal, tim Yu-Lipson memilih untuk mengoperasikan cincin mikro dalam rezim “sangat over-coupled”, suatu kondisi di mana kekuatan kopling antara cincin mikro dan “bus” pandu gelombang yang memasukkan cahaya ke dalam cincin setidaknya 10 kali lebih kuat dari hilangnya cincin mikro. “Yang terakhir ini terutama karena hamburan optik pada kekasaran skala nano di dinding samping perangkat,” jelas Lipson. “Anda tidak akan pernah bisa membuat perangkat fotonik dengan permukaan yang sangat halus.”

Tim mengembangkan beberapa strategi untuk mendorong perangkat ke dalam rezim yang sangat over-coupled. Yang paling penting adalah penemuan mereka tentang geometri cincin mikro adiabatik, di mana cincin itu bertransisi dengan mulus antara leher sempit dan perut lebar, yang berada di tepi berlawanan dari cincin. Leher sempit cincin memfasilitasi pertukaran cahaya antara pandu gelombang bus dan cincin mikro, sehingga meningkatkan kekuatan kopling. Perut lebar cincin mengurangi kehilangan optik karena cahaya terpandu hanya berinteraksi dengan dinding samping luar, bukan dinding samping dalam, dari bagian cincin mikro adiabatik yang melebar, yang secara substansial mengurangi hamburan optik pada kekasaran dinding samping.

Dalam studi perbandingan cincin mikro adiabatik dan cincin mikro konvensional dengan lebar seragam yang dibuat berdampingan pada chip yang sama, tim menemukan bahwa tidak ada cincin mikro konvensional yang memenuhi kondisi kopling berlebih yang kuat. mengalami kerugian optik yang sangat buruk — sementara 63% dari cincin mikro adiabatik tetap beroperasi dalam rezim over-coupled yang kuat.

Modulator fase terbaik kami yang beroperasi pada warna biru dan hijau, yang merupakan bagian tersulit dari spektrum tampak, memiliki radius hanya lima mikron, mengkonsumsi daya 0,8 mW untuk penyetelan fase , dan memperkenalkan variasi amplitudo kurang dari 10%,” kata Heqing Huang, seorang mahasiswa pascasarjana di lab Yu dan penulis pertama makalah tersebut. “Tidak ada pekerjaan sebelumnya yang menunjukkan modulator fase yang ringkas, hemat daya, dan rugi-rendah pada panjang gelombang yang terlihat.”

Perangkat dirancang di lab Yu dan dibuat di ruang bersih Columbia Nano Initiative, di Fasilitas NanoFabrication Pusat Penelitian Sains Lanjutan di Pusat Pascasarjana Universitas Kota New York, dan di Fasilitas Sains dan Teknologi Cornell NanoScale. Karakterisasi perangkat dilakukan di laboratorium Lipson dan Yu.

Para peneliti mencatat bahwa sementara mereka jauh dari tingkat integrasi elektronik, pekerjaan mereka mengecilkan kesenjangan antara sakelar fotonik dan elektronik secara substansial. “Jika teknologi modulator sebelumnya hanya memungkinkan integrasi 100 modulator fase pandu gelombang dengan tapak chip dan anggaran daya tertentu, sekarang kami dapat melakukannya 100 kali lebih baik dan mengintegrasikan 10.000 pemindah fase pada chip untuk mewujudkan fungsi yang jauh lebih canggih,” kata Yu.

Lab Lipson dan Yu sekarang berkolaborasi untuk mendemonstrasikan LIDAR spektrum tampak yang terdiri dari susunan 2D besar pemindah fase berdasarkan cincin mikro adiabatik. Strategi desain yang digunakan untuk perangkat termo-optik spektrum tampak dapat diterapkan pada modulator elektro-optik untuk mengurangi jejak kaki dan tegangan penggeraknya, dan dapat diadaptasi dalam rentang spektral lainnya (misalnya, ultraviolet, telekomunikasi, inframerah tengah, dan THz). ) dan dalam desain resonator lain di luar cincin mikro.

“Dengan demikian, pekerjaan kami dapat menginspirasi upaya masa depan di mana orang dapat menerapkan over-coupling yang kuat dalam berbagai perangkat berbasis resonator untuk meningkatkan interaksi materi cahaya, misalnya, untuk meningkatkan nonlinier optik, untuk membuat laser baru, untuk mengamati kuantum baru. efek optik, sekaligus menekan kerugian optik pada saat yang sama,” kata Lipson.

Posted By : totobet hk