Modulator Cahaya Visibel Ultra-Miniatur, Daya Rendah, Membangun Standar Baru Industri
Selama beberapa dekade terakhir, peneliti telah beralih dari menggunakan arus listrik untuk memanipulasi gelombang cahaya dalam rentang near-infrared untuk aplikasi telekomunikasi seperti jaringan 5G kecepatan tinggi, biosensor pada chip, dan mobil tanpa sopir. Area penelitian ini, dikenal sebagai integrated photonics, berkembang pesat, dan peneliti sekarang mengeksplorasi rentang panjang gelombang — cahaya visibel — yang lebih pendek untuk mengembangkan berbagai aplikasi muncul. Ini termasuk chip-scale light detection and ranging (LiDAR), kacamata augmented/virtual/mixed reality (AR/VR/MR), layar holografis, chip pemrosesan informasi kuantum, dan sond optogenetik yang dapat ditanam di otak.
Satu perangkat yang krusial untuk semua aplikasi ini dalam rentang visibel adalah optical phase modulator, yang mengontrol fase gelombang cahaya, mirip dengan cara fase gelombang radio dimodulasi dalam jaringan komputer nirkabel. Dengan phase modulator, peneliti dapat membangun optical switch on-chip yang mengarahkan cahaya ke port waveguide yang berbeda. Dengan jaringan besar dari optical switch ini, peneliti dapat menciptakan sistem optik terintegrasi canggih yang dapat mengontrol cahaya yang merambat pada chip kecil.
Namun, phase modulator dalam rentang visibel sangat sulit dibuat: tidak ada bahan yang cukup transparan dalam spektrum visibel sambil juga menyediakan tunabilitas yang besar, baik melalui efek termo-optik atau elektro-optik. Saat ini, dua bahan yang paling cocok adalah silicon nitride dan lithium niobate.
Sementara keduanya sangat transparan dalam rentang visibel, tidak satu pun memberikan banyak tunabilitas. Phase modulator spektrum visibel yang didasarkan pada bahan ini tidak hanya besar tetapi juga boros daya: panjang modulator berbasis waveguide individual berkisar dari ratusan mikron hingga beberapa milimeter, dan satu modulator mengonsumsi puluhan milliwatt untuk penyesuaian fase. Peneliti yang mencoba mencapai integrasi skala besar — menanamkan ribuan perangkat pada satu mikrokip — hingga sekarang telah terhambat oleh perangkat yang besar dan boros energi ini.
Peneliti Columbia Engineering telah menemukan solusi untuk masalah ini — mereka telah mengembangkan cara berdasarkan micro-ring resonators untuk secara dramatis mengurangi ukuran dan konsumsi daya phase modulator spektrum visibel, dari satu milimeter ke 10 mikron, dan dari puluhan milliwatt untuk penyesuaian fase π menjadi kurang dari satu milliwatt.
Optical resonator adalah struktur dengan tingkat simetri yang tinggi, seperti cincin, yang dapat mengedarkan sinar cahaya berkali-kali dan menerjemahkan perubahan indeks bias yang kecil menjadi modulasi fase yang besar. Resonator dapat beroperasi dalam kondisi yang berbeda dan jadi perlu digunakan dengan hati-hati. Misalnya, jika beroperasi dalam regime “under-coupled” atau “critical coupled”, resonator hanya akan memberikan modulasi fase yang terbatas, dan lebih masalah lagi, memperkenalkan variasi amplitudo yang besar pada sinyal optik. Yang terakhir adalah kehilangan optik yang sangat tidak diinginkan karena akumulasi kehilangan bahkan sederhana dari setiap phase modulator akan mencegah mereka dicascading untuk membentuk sirkuit yang memiliki sinyal output yang cukup besar.
Untuk mencapai penyesuaian fase 2π lengkap dan variasi amplitudo minimal, tim penelitian memilih untuk mengoperasikan micro-ring dalam regime “strongly over-coupled”, kondisi di mana kekuatan coupling antara micro-ring dan “bus” waveguide yang memberi makan cahaya ke cincinSetidaknya 10 kali lebih kuat dari kehilangan micro-ring, yang terutama disebabkan oleh pencitraan optik pada kekasaran nanoskala di sisi perangkat.
Tim mengembangkan beberapa strategi untuk mendorong perangkat ke dalam regime strongly over-coupled. Yang paling penting adalah penemuan mereka tentang adiabatic micro-ring geometry, di mana cincin dengan lancar bertransisi antara leher sempit dan perut lebar, yang berada di tepi yang berlawanan dari cincin. Leher sempit cincin memfasilitasi pertukaran cahaya antara bus waveguide dan micro-ring, sehingga meningkatkan kekuatan coupling. Perut lebar cincin mengurangi kehilangan optik karena cahaya yang dipandu hanya berinteraksi dengan sisi luar, bukan sisi dalam, bagian yang diperluas dari adiabatic micro-ring, secara signifikan mengurangi pencitraan optik pada kekasaran sisi.
Dalam studi perbandingan antara adiabatic micro-rings dan micro-rings konvensional dengan lebar seragam yang diproduksi berdampingan pada chip yang sama, tim menemukan bahwa tidak satu pun micro-ring konvensional yang memenuhi kondisi strong over-coupling — kenyataannya, mereka mengalami kehilangan optik yang sangat buruk — sementara 63% adiabatic micro-rings terus beroperasi dalam regime strongly over-coupled.
Phase modulator terbaik mereka yang beroperasi pada warna biru dan hijau, yang merupakan bagian paling sulit dari spektrum visibel, memiliki radius hanya lima mikron, mengonsumsi daya 0,8 mW untuk penyesuaian fase π, dan memperkenalkan variasi amplitudo kurang dari 10 persen. Menurut peneliti, pekerjaan sebelumnya belum pernah menunjukkan phase modulator yang sekompak, hemat energi, dan rendah kehilangan ini pada panjang gelombang visibel.
Peneliti mencatat bahwa sementara mereka masih jauh dari tingkat integrasi elektronika, pekerjaan mereka menyusutkan celah antara switch fotonik dan elektronik secara substansial. “Jika teknologi modulator sebelumnya hanya memungkinkan integrasi 100 phase modulator waveguide dengan footprint chip dan anggaran daya tertentu, sekarang kita dapat melakukannya 100 kali lebih baik dan mengintegrasikan 10.000 phase shifter pada chip untuk merealisasikan fungsi yang jauh lebih canggih,” kata Professor Nanfang Yu.
Peneliti sekarang bekerja untuk menunjukkan LiDAR spektrum visibel yang terdiri dari array 2D besar dari phase shifter berdasarkan adiabatic micro-rings. Strategi desain yang digunakan untuk perangkat termo-optik spektrum visibel mereka dapat diterapkan pada modulator elektro-optik untuk mengurangi footprint dan tegangan drive mereka dan dapat disesuaikan dalam rentang spektral lain (misalnya, ultraviolet, telecom, mid-infrared, dan terahertz) dan dalam desain resonator lain di luar micro-rings.
