בשנים האחרונות, חוקרים ממדינות שונות השתמשו בפוטוניקה משולבת כדי לממש באופן הדרגתי את המניפולציה של גלי אור אינפרא אדום ולהחיל אותם על רשתות 5G במהירות גבוהה, חיישני שבבים וכלי רכב אוטונומיים. כיום, עם העמקת כיוון המחקר המתמשך, חוקרים החלו לבצע גילוי מעמיק של פסי אור נראה קצרים יותר ולפתח יישומים נרחבים יותר, כגון LIDAR ברמת שבב, משקפי מציאות רבודה/VR/MR (מציאות משופרת/וירטואלית/היברידית), צגים הולוגרפיים, שבבי עיבוד קוונטי, גלאים אופטוגנטיים המושתלים במוח ועוד.
שילוב בקנה מידה גדול של מאפנני פאזה אופטיים הוא ליבת תת-המערכת האופטית לניתוב אופטי על-שבב ועיצוב חזיתות גל במרחב חופשי. שתי פונקציות עיקריות אלו חיוניות למימוש יישומים שונים. עם זאת, עבור מאפנני פאזה אופטיים בתחום האור הנראה, מאתגר במיוחד לעמוד בדרישות של העברה גבוהה ומודולציה גבוהה בו זמנית. כדי לעמוד בדרישה זו, אפילו חומרי הסיליקון ניטריד וליתיום ניובט המתאימים ביותר צריכים להגדיל את הנפח ואת צריכת החשמל.
כדי לפתור בעיה זו, מיכל ליפסון וננפאנג יו מאוניברסיטת קולומביה תכננו מודולטור פאזה תרמו-אופטי מסיליקון ניטריד המבוסס על מהוד מיקרו-טבעתי אדיאבטי. הן הוכיחו שהמהוד המיקרו-טבעתי פועל במצב צימוד חזק. המכשיר יכול להשיג אפנון פאזה עם הפסד מינימלי. בהשוואה למודולטורי פאזה של מוליכי גל רגילים, למכשיר יש הפחתה של לפחות סדר גודל של צריכת מקום וחשמל. התוכן הרלוונטי פורסם ב-Nature Photonics.
מיכל ליפסון, מומחית מובילה בתחום הפוטוניקה המשולבת, המבוססת על סיליקון ניטריד, אמרה: "המפתח לפתרון המוצע שלנו הוא שימוש במהוד אופטי ולפעול במצב של צימוד חזק."
המהוד האופטי הוא מבנה סימטרי ביותר, שיכול להמיר שינוי קטן במקדם השבירה לשינוי פאזה באמצעות מחזורים מרובים של קרני אור. באופן כללי, ניתן לחלק אותו לשלושה מצבי עבודה שונים: "תת-צימוד" ו"תת-צימוד", צימוד קריטי ו"צימוד חזק". ביניהם, "תת-צימוד" יכול לספק רק אפנון פאזה מוגבל ויביא לשינויי אמפליטודה מיותרים, ו"צימוד קריטי" יגרום לאובדן אופטי משמעותי, ובכך ישפיע על הביצועים בפועל של המכשיר.
כדי להשיג אפנון פאזה 2π מלא ושינוי אמפליטודה מינימלי, צוות המחקר תמרן את המיקרו-טבעת במצב "צימוד חזק". עוצמת הצימוד בין המיקרו-טבעת ל"אפיק" גבוהה לפחות פי עשרה מאובדן האור של המיקרו-טבעת. לאחר סדרה של עיצובים ואופטימיזציה, המבנה הסופי מוצג באיור למטה. זוהי טבעת תהודה בעלת רוחב מחודד. חלק מוליך הגל הצר משפר את עוצמת הצימוד האופטי בין ה"אפיק" למיקרו-סליל. חלק מוליך הגל הרחב אובדן האור של המיקרו-טבעת מצטמצם על ידי הפחתת הפיזור האופטי של דופן הצד.
הקינג הואנג, המחבר הראשון של המאמר, אמר גם: "עיצבנו מודולטור פאזה של אור נראה מיניאטורי, חסכוני באנרגיה ובעל הפסדים נמוכים במיוחד, עם רדיוס של 5 מיקרון בלבד וצריכת חשמל של 0.8 מיליוואט בלבד לאפנון פאזה π. וריאציית האמפליטודה המוכנסת היא פחות מ-10%. מה שנדיר עוד יותר הוא שמודולטור זה יעיל באותה מידה עבור הפסים הכחולים והירוקים הקשים ביותר בספקטרום הנראה."
ננפאנג יו ציין גם כי למרות שהם רחוקים מלהגיע לרמת האינטגרציה של מוצרים אלקטרוניים, עבודתם צמצמה באופן דרמטי את הפער בין מתגים פוטוניים למתגים אלקטרוניים. "אם טכנולוגיית המודולטור הקודמת אפשרה רק שילוב של 100 מודולטורי פאזה של מוליכי גל בהינתן טביעת רגל מסוימת של השבב ותקציב הספק מסוימים, אז כעת נוכל לשלב 10,000 מעבירי פאזה באותו שבב כדי להשיג פונקציה מורכבת יותר."
בקצרה, שיטת תכנון זו ניתנת ליישום על מודולטורים אלקטרו-אופטיים כדי להפחית את שטח התפוסה ואת צריכת המתח. ניתן להשתמש בה גם בטווחים ספקטרליים אחרים ובעיצובים שונים של מהודים. נכון לעכשיו, צוות המחקר משתף פעולה כדי להדגים את LIDAR הספקטרום הנראה המורכב ממערכי הזזת פאזה המבוססים על מיקרו-טבעות כאלה. בעתיד, ניתן ליישם אותה גם ביישומים רבים כגון אי-לינאריות אופטית משופרת, לייזרים חדשים ואופטיקה קוונטית חדשה.
מקור המאמר: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
חברת בייג'ינג רופאה אופטואלקטרוניקה בע"מ, הממוקמת ב"עמק הסיליקון" בסין - בייג'ינג ג'ונגגואנצון, היא מפעל היי-טק המוקדש לשירות מוסדות מחקר מקומיים וזרים, מכוני מחקר, אוניברסיטאות ואנשי מחקר מדעיים ארגוניים. החברה שלנו עוסקת בעיקר במחקר ופיתוח עצמאיים, תכנון, ייצור ומכירה של מוצרים אופטואלקטרוניים, ומספקת פתרונות חדשניים ושירותים מקצועיים ומותאמים אישית לחוקרים מדעיים ומהנדסי תעשייה. לאחר שנים של חדשנות עצמאית, היא יצרה סדרה עשירה ומושלמת של מוצרים פוטואלקטריים, הנמצאים בשימוש נרחב בתעשיות העירוניות, הצבאיות, התחבורה, החשמל, הפיננסים, החינוך, הרפואה ותעשיות אחרות.
אנו מצפים לשיתוף פעולה איתך!
זמן פרסום: 29 במרץ 2023