Perangkat Baru Memodulasi Cahaya Tampak dengan Jejak Terkecil dan Konsumsi Daya Terendah
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 macam aplikasi yang muncul. Ini termasuk deteksi dan rentang cahaya skala chip (LiDAR), kacamata augmented/virtual/mixed reality (AR/VR/MR), 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.
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 milimeter, dan modulator tunggal mengkonsumsi puluhan miliwatt untuk penyetelan fase. Para peneliti yang mencoba mencapai integrasi skala besar — menyematkan ribuan perangkat pada satu microchip — hingga saat ini telah terhalang oleh perangkat besar yang menghabiskan energi ini.
Peneliti Columbia Engineering 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 menjadi 10 mikron, dan dari puluhan miliwatt untuk penyetelan fase hingga di bawah satu miliwatt.
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 dalam kondisi yang berbeda sehingga perlu digunakan dengan hati-hati. Misalnya, jika beroperasi dalam rezim "under-coupled" atau "critical coupled", 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 output yang cukup besar.
Untuk mencapai penyetelan fase 2π yang lengkap dan variasi amplitudo minimal, tim peneliti memilih untuk mengoperasikan cincin-mikro dalam rezim “sangat over-coupled”, suatu kondisi di mana kekuatan kopling antara cincin-mikro dan pandu gelombang “bus” yang memasukkan cahaya ke dalam cincin setidaknya 10 kali lebih kuat daripada hilangnya cincin mikro, yang terutama disebabkan oleh hamburan optik pada kekasaran skala nano di dinding samping perangkat.
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 dengan mulus bertransisi 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 - pada kenyataannya, mereka menderita kerugian optik yang sangat buruk — sementara 63% dari cincin mikro adiabatik tetap beroperasi dalam rezim over-coupled yang kuat.
Modulator fase terbaiknya 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 persen. Menurut para peneliti, tidak ada penelitian sebelumnya yang menunjukkan modulator fase yang ringkas, hemat daya, dan rugi-rugi rendah pada panjang gelombang yang terlihat.
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 jejak chip dan anggaran daya tertentu, sekarang kami dapat melakukannya 100 kali lebih baik dan mengintegrasikan 10.000 pemindah fase pada sebuah chip untuk mewujudkan fungsi yang jauh lebih canggih,” kata Profesor Nanfang Yu.
Para peneliti sekarang bekerja untuk mendemonstrasikan kontra LiDAR spektrum-terlihat isting array 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 disesuaikan dalam rentang spektral lainnya (misalnya, ultraviolet, telekomunikasi, inframerah tengah, dan terahertz) dan dalam desain resonator lain di luar cincin mikro.
