Un nuevo dispositivo modula la luz visible con la huella más pequeña y el consumo de energía más bajo

En las últimas décadas, los investigadores han pasado del uso de corrientes eléctricas a la manipulación de ondas de luz en el rango del infrarrojo cercano para aplicaciones de telecomunicaciones como redes 5G de alta velocidad, biosensores en un chip y automóviles sin conductor. Esta área de investigación, conocida como fotónica integrada, está evolucionando rápidamente y los investigadores ahora están explorando el rango de longitud de onda visible más corto para desarrollar una amplia variedad de aplicaciones emergentes. Estos incluyen detección y rango de luz a escala de chip (LiDAR), gafas de realidad aumentada/virtual/mixta (AR/VR/MR), pantallas holográficas, chips de procesamiento de información cuántica y sondas optogenéticas implantables en el cerebro.

El único dispositivo fundamental para todas estas aplicaciones en el rango visible es un modulador de fase óptico, que controla la fase de una onda de luz, de forma similar a cómo se modula la fase de las ondas de radio en las redes informáticas inalámbricas. Con un modulador de fase, los investigadores pueden construir un interruptor óptico en un chip que canalice la luz hacia diferentes puertos de guía de ondas. Con una gran red de estos interruptores ópticos, los investigadores podrían crear sofisticados sistemas ópticos integrados que podrían controlar la propagación de la luz en un chip diminuto.

Pero los moduladores de fase en el rango visible son muy difíciles de fabricar:no hay materiales que sean lo suficientemente transparentes en el espectro visible y que al mismo tiempo proporcionen una gran capacidad de sintonización, ya sea a través de efectos termoópticos o electroópticos. Actualmente, los dos materiales más adecuados son el nitruro de silicio y el niobato de litio.

Si bien ambos son altamente transparentes en el rango visible, ninguno proporciona mucha capacidad de ajuste. Por lo tanto, los moduladores de fase de espectro visible basados ​​en estos materiales no solo son grandes sino que también consumen mucha energía:la longitud de los moduladores individuales basados ​​en guías de ondas varía de cientos de micras a varios milímetros, y un solo modulador consume decenas de milivatios para el ajuste de fase. Los investigadores que intentan lograr una integración a gran escala (incrustar miles de dispositivos en un solo microchip) hasta ahora se han visto obstaculizados por estos voluminosos dispositivos que consumen energía.

Los investigadores de Columbia Engineering han encontrado una solución a este problema:han desarrollado una forma basada en resonadores de microanillo para reducir drásticamente tanto el tamaño como el consumo de energía de un modulador de fase de espectro visible, de un milímetro a 10 micrones, y de decenas de milivatios para sintonizar la fase π por debajo de un milivatio.

Los resonadores ópticos son estructuras con un alto grado de simetría, como anillos, que pueden hacer circular un haz de luz muchas veces y traducir pequeños cambios en el índice de refracción en una gran modulación de fase. Los resonadores pueden operar en diferentes condiciones y, por lo tanto, deben usarse con cuidado. Por ejemplo, si opera en los regímenes de "acoplamiento insuficiente" o "acoplamiento crítico", un resonador solo proporcionará una modulación de fase limitada y, lo que es más problemático, introducirá una gran variación de amplitud en la señal óptica. Esta última es una pérdida óptica altamente indeseable porque la acumulación de pérdidas incluso moderadas de los moduladores de fase individuales evitará que se conecten en cascada para formar un circuito que tenga una señal de salida suficientemente grande.

Para lograr una sintonización de fase 2π completa y una variación de amplitud mínima, el equipo de investigación eligió operar un microanillo en el régimen de "fuertemente sobreacoplado", una condición en la que la fuerza de acoplamiento entre el microanillo y la guía de ondas "bus" que alimenta la luz en el anillo es al menos 10 veces más fuerte que la pérdida del microanillo, que se debe principalmente a la dispersión óptica en la rugosidad a nanoescala de las paredes laterales del dispositivo.

El equipo desarrolló varias estrategias para llevar los dispositivos al régimen fuertemente sobreacoplado. El más crucial fue su invención de una geometría de microanillo adiabático, en la que el anillo cambia suavemente entre un cuello estrecho y una panza ancha, que se encuentran en los bordes opuestos del anillo. El cuello estrecho del anillo facilita el intercambio de luz entre la guía de ondas del bus y el microanillo, mejorando así la fuerza de acoplamiento. El vientre ancho del anillo reduce la pérdida óptica porque la luz guiada interactúa solo con la pared lateral exterior, no con la pared lateral interior, de la parte ensanchada del microanillo adiabático, lo que reduce sustancialmente la dispersión óptica en la rugosidad de la pared lateral.

En un estudio comparativo de microanillos adiabáticos y microanillos convencionales con ancho uniforme fabricados uno al lado del otro en el mismo chip, el equipo descubrió que ninguno de los microanillos convencionales satisfacía la fuerte condición de sobreacoplamiento; de hecho, sufrían pérdidas ópticas muy malas, mientras que el 63 % de los microanillos adiabáticos seguían funcionando en el régimen fuertemente sobreacoplado.

Sus mejores moduladores de fase que operan en los colores azul y verde, que son las porciones más difíciles del espectro visible, tienen un radio de solo cinco micrones, consumen una potencia de 0,8 mW para la sintonización de fase π e introducen una variación de amplitud de menos de 10 por ciento. Según los investigadores, ningún trabajo anterior ha demostrado moduladores de fase tan compactos, energéticamente eficientes y de baja pérdida en longitudes de onda visibles.

Los investigadores señalan que, si bien no están ni cerca del grado de integración de la electrónica, su trabajo reduce sustancialmente la brecha entre los interruptores fotónicos y electrónicos. “Si las tecnologías de modulación anteriores solo permitían la integración de 100 moduladores de fase de guía de ondas dado un cierto tamaño de chip y presupuesto de energía, ahora podemos hacerlo 100 veces mejor e integrar 10 000 cambiadores de fase en un chip para realizar funciones mucho más sofisticadas”, dijo el profesor Nanfang. Yu.

Los investigadores ahora están trabajando para demostrar las cons de LiDAR de espectro visible. Listado de grandes conjuntos 2D de desfasadores basados ​​en microanillos adiabáticos. Las estrategias de diseño empleadas para sus dispositivos termo-ópticos de espectro visible se pueden aplicar a moduladores electro-ópticos para reducir sus huellas y controlar los voltajes y se pueden adaptar en otros rangos espectrales (por ejemplo, ultravioleta, telecomunicaciones, infrarrojo medio y terahercios). y en otros diseños de resonadores más allá de los microanillos.