新设备以最小的占地面积和最低的功耗调制可见光

在过去的几十年里，研究人员已经从使用电流转向操纵近红外范围内的光波，用于高速 5G 网络、芯片上的生物传感器和无人驾驶汽车等电信应用。这个被称为集成光子学的研究领域正在快速发展，研究人员现在正在探索更短的可见波长范围，以开发各种新兴应用。其中包括芯片级光探测和测距 (LiDAR)、增强/虚拟/混合现实 (AR/VR/MR) 护目镜、全息显示器、量子信息处理芯片以及可植入大脑的光遗传学探针。

在可见光范围内对所有这些应用至关重要的一个设备是光学相位调制器，它控制光波的相位，类似于无线电波的相位在无线计算机网络中的调制方式。使用相位调制器，研究人员可以构建一个片上光开关，将光引导到不同的波导端口。借助这些光学开关的大型网络，研究人员可以创建复杂的集成光学系统，以控制在微型芯片上传播的光。

但是可见光范围内的相位调制器很难制造：没有材料在可见光谱中足够透明，同时通过热光或电光效应提供大的可调性。目前最合适的两种材料是氮化硅和铌酸锂。

虽然两者在可见光范围内都是高度透明的，但都没有提供很好的可调性。因此，基于这些材料的可见光谱相位调制器不仅体积大而且耗电：单个基于波导的调制器的长度从数百微米到几毫米不等，单个调制器的相位调谐消耗数十毫瓦。迄今为止，试图实现大规模集成（在单个微芯片上嵌入数千个设备）的研究人员一直受到这些笨重、耗能的设备的阻碍。

哥伦比亚工程研究人员已经找到了解决这个问题的方法——他们开发了一种基于微环谐振器的方法，可以将可见光谱相位调制器的尺寸和功耗从 1 毫米显着降低到 10 微米，并且从π 相位调谐到 1 毫瓦以下需要几十毫瓦。

光学谐振器是具有高度对称性的结构，例如环，它可以使光束循环多次，并将微小的折射率变化转化为大的相位调制。谐振器可以在不同的条件下工作，因此需要谨慎使用。例如，如果在“欠耦合”或“临界耦合”状态下工作，则谐振器将仅提供有限的相位调制，而且更成问题的是，会给光信号引入大幅度的变化。后者是一种非常不受欢迎的光损耗，因为即使是单个相位调制器的中等损耗也会累积起来，从而阻止它们级联形成具有足够大输出信号的电路。

为了实现完整的 2π 相位调谐和最小幅度变化，研究团队选择在“强过耦合”状态下运行微环，在这种状态下，微环和“总线”波导之间的耦合强度将光馈入环的损耗至少比微环的损耗强 10 倍，这主要是由于器件侧壁纳米级粗糙度处的光散射造成的。

该团队开发了几种策略来将设备推入强过度耦合状态。最关键的是他们发明了一种绝热微环几何形状，其中环在窄颈和宽腹之间平滑过渡，这两个位置位于环的相对边缘。环的窄颈有利于总线波导和微环之间的光交换，从而增强耦合强度。由于导光只与绝热微环的加宽部分的外侧壁而不是内侧壁相互作用，因此环的宽腹部减少了光损耗，从而大大减少了侧壁粗糙度处的光散射。

在对同一芯片上并排制造的绝热微环和具有均匀宽度的常规微环进行对比研究时，研究小组发现没有一个常规微环满足强过耦合条件——事实上，它们遭受了非常糟糕的光学损耗——而 63% 的绝热微环继续在强过耦合状态下运行。

他们最好的相位调制器以蓝色和绿色工作，这是可见光谱中最困难的部分，半径只有 5 微米，π 相位调谐消耗的功率为 0.8 mW，幅度变化小于 10百分。据研究人员称，之前没有任何工作证明过这种紧凑、节能和低损耗的可见光相位调制器。

研究人员指出，虽然他们远未达到电子设备的集成程度，但他们的工作大大缩小了光子和电子开关之间的差距。 “如果以前的调制器技术只允许在给定芯片尺寸和功率预算的情况下集成 100 个波导相位调制器，那么现在我们可以做得更好 100 倍，并在一个芯片上集成 10,000 个移相器以实现更复杂的功能，”南方教授说于。

研究人员现在正在努力展示可见光谱 LiDAR 的 cons 基于绝热微环的大型二维移相器阵列的上市。其可见光谱热光器件采用的设计策略可应用于电光调制器，以减少其占用空间和驱动电压，并可适用于其他光谱范围（例如，紫外线、电信、中红外和太赫兹）以及微环以外的其他谐振器设计。