Näkyvän valon modulointi sirutasolle

Näkyvän spektrin vaihemodulaattorin ympyrärakenteen säde on 10 mikronia. Kuvassa vertailukohteena perhosen siiven suomu.

Suurempi kuva

Viime vuosikymmeninä tutkijat ovat siirtyneet sähkövirtojen käyttämisestä lähi-infrapuna-alueen valoaaltojen manipulointiin tietoliikennesovelluksissa, biosensoreissa sekä kuljettamattomissa autoissa.

Nyt tutkitaan lyhyempää eli näkyvää aallonpituusaluetta monenlaisia uusia sovelluksia ajatellen. Näitä olisivat sirutason valontunnistus ja LIDAR- etäisyysmittaus, AR/VR/MR-lasit, holografiset näytöt, kvanttitiedonkäsittelyn sirut sekä implantoitavat optogeneettiset anturit aivoihin. Näille sovelluksille yksi kriittinen piirirakenne on optinen vaihemodulaattori.

Mutta näkyvän spektrin vaihemodulaattoreita on erittäin vaikea valmistaa: ei ole olemassa materiaaleja, jotka ovat riittävän läpinäkyviä näkyvässä spektrissä ja tarjoaisivat samalla suuren viritettävyyden.

Nyt Columbia Engineeringin tutkijat ilmoittivat löytäneensä ratkaisun tähän ongelmaan – he ovat kehittäneet mikrorengasresonaattoreihin perustuvan tavan vähentää dramaattisesti näkyvän spektrin vaihemodulaattorin kokoa ja virrankulutusta yhdestä millimetristä 10 mikroniin ja kymmenistä milliwateista π-vaihevirityksen osalta alle yhteen milliwattiin.

Tutkijoiden Nanfang Yun ja Michal Lipsonin kehittämän ratkaisun avain oli käyttää optista resonaattoria ja käyttää sitä niin sanotussa "vahvasti ylikytketyllä" tavalla.

Optiset resonaattorit voivat toimia useissa eri olosuhteissa. Jos toimii esimerkiksi "alikytketyssä" tai "kriittisessä kytkennässä", resonaattori tarjoaa vain rajoitetun vaihemodulaation ja mikä ongelmallisempaa, aiheuttaa suuren amplitudivaihtelun optiseen signaaliin.

Täydellisen 2π-vaihevirityksen ja minimaalisen amplitudivaihtelun saavuttamiseksi Yu-Lipson-tiimi päätti käyttää mikrorengasta "vahvasti ylikytketyssä" tilassa, jossa mikrorenkaan ja "väylän" välinen kytkentävoimakkuus renkaaseen valoa syöttävä aaltoputkissa on vähintään 10 kertaa vahvempi kuin mikrorenkaan häviö.

Keskeisin kehitysidea oli keksintö adiabaattisesta mikrorengasgeometriasta, jossa rengas siirtyy sujuvasti kapeaan kaulan ja leveän vatsan välillä, jotka ovat renkaan vastakkaisilla reunoilla. Renkaan kapea kaula helpottaa valon vaihtoa väylän aaltoputken ja mikrorenkaan välillä, mikä parantaa kytkentävahvuutta. Renkaan leveä vatsa vähentää optista häviötä, koska ohjattu valo on vuorovaikutuksessa vain adiabaattisen mikrorenkaan laajennetun osan ulkosivuseinän kanssa, mikä vähentää olennaisesti optista sirontaa sivuseinän karheudessa.

Tutkijat huomauttavat, että vaikka he eivät ole lähelläkään elektroniikan integrointiastetta, heidän työnsä pienentää fotonisten ja elektronisten kytkimien välistä kuilua huomattavasti. "Jos aiemmat modulaattoritekniikat mahdollistavat vain 100 aaltoputkivaihemodulaattorin integroinnin tietyllä sirunalalla ja tehobudjetilla, nyt voimme tehdä sen 100 kertaa paremmin ja integroida 10 000 vaihesiirrintä sirulle toteuttaaksemme paljon kehittyneempiä toimintoja", sanoo Nanfang Yu yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Fotonioperaatiot sopivat yhä paremmin sirulle

Valon ohjelmointia sirulla