超微型低功耗可见光调制器 树立行业新标杆

过去几十年，研究人员从使用电流转向操控近红外光波用于电信应用，如高速5G网络、芯片生物传感器、无人驾驶汽车。这一被称为集成光子学的研究领域快速演进，如今正探索更短的可见光波长，以开发广泛新兴应用：芯片级激光雷达（LiDAR）、增强/虚拟/混合现实（AR/VR/MR）眼镜、全息显示、量子信息处理芯片、植入大脑的光遗传学探针等。

可见光波段所有这些应用的关键器件是光相位调制器，它控制光波相位，类似无线网络中射频相位调制。有了相位调制器，研究人员可构建片上光开关，将光引导至不同波导端口。利用大规模光开关网络，可创建复杂集成光学系统，控制微小芯片上的光传播。

但可见光波段相位调制器极难制造：没有材料既在可见光谱足够透明，又能通过热光或电光效应提供大调谐范围。目前最合适的两种材料是氮化硅和铌酸锂。

虽两者在可见光波段高度透明，但调谐范围都不大。基于这些材料的可见光相位调制器不仅尺寸大，而且耗电大：单个波导调制器长度从数百微米到数毫米，单个调制器实现π相位调谐需消耗数十毫瓦。试图大规模集成——在单芯片嵌入数千器件的研究人员，迄今因这些庞大、耗能器件而受阻。

哥伦比亚工程学院研究人员找到解决方案——基于微环谐振器，将可见光谱相位调制器尺寸从1毫米缩减至10微米，π相位调谐功耗从数十毫瓦降至1毫瓦以下。

光学谐振器是高度对称结构（如环），可让光束多次循环，将微小折射率变化转化为大相位调制。谐振器可在不同条件下工作，需谨慎使用。例如，在“欠耦合”或“临界耦合”区域，谐振器仅提供有限相位调制，更麻烦的是向光信号引入大幅幅度变化。后者是高度不希望的光损耗，因为单个相位调制器累积的即使是中等损耗，也会阻止它们级联形成输出信号足够大的电路。

为实现完整2π相位调谐和最小幅度变化，研究团队选择在“强过耦合”区域工作微环——即微环与馈入光的“总线”波导间耦合强度至少是微环损耗（主要源于器件侧壁纳米级粗糙度散射）的10倍。

团队开发多种策略将器件推入强过耦合区域。最关键的是发明了绝热微环几何结构：环在窄颈和宽腹间平滑过渡，两者位于环的相对边缘。窄颈促进总线波导与微环间光交换，增强耦合强度。宽腹减少光损耗，因导模光仅与绝热微环扩宽部分的外侧壁相互作用，不与内侧壁相互作用，大幅降低侧壁粗糙度散射。

在同一芯片上并排制造的绝热微环与常规等宽微环对比研究中，团队发现没有常规微环满足强过耦合条件——事实上它们光损耗极大——而63%的绝热微环保持在强过耦合区域工作。

他们最优相位调制器在蓝光和绿光（可见光谱最难部分）工作，半径仅5微米，π相位调谐功耗0.8毫瓦，幅度变化小于10%。据研究人员称，此前无工作在可见光波长展示如此紧凑、功耗高效、低损耗的相位调制器。

研究人员指出，虽远未达到电子学集成度，但其工作大幅缩小了光子与电子开关的差距。“若之前调制器技术在给定芯片面积和功耗预算下仅能集成100个波导相位调制器，现在我们能做到100倍提升，集成10,000个相位调制器实现更复杂功能，”Nanfang Yu教授说。

研究人员正致力于演示基于绝热微环的大规模二维相位调制器阵列的可见光LiDAR。其可见光热光器件设计策略可应用于电光调制器以减小占地和驱动电压，并可适配其他光谱范围（紫外、电信、中红外、太赫兹）及微环以外的其他谐振器设计。