מאפנן שלב האור הנראה הקטן ביותר עם ההספק הנמוך ביותר נולד

בשנים האחרונות, חוקרים ממדינות שונות השתמשו בפוטוניקה משולבת כדי לממש ברציפות את המניפולציה של גלי אור אינפרא אדום ולהחיל אותם על רשתות 5G מהירות, חיישני שבבים וכלי רכב אוטונומיים. נכון לעכשיו, עם ההעמקה המתמשכת של כיוון המחקר הזה, החוקרים החלו לבצע זיהוי מעמיק של פסי אור גלוי קצרים יותר ולפתח יישומים נרחבים יותר, כגון LIDAR ברמת השבב, AR/VR/MR (משופר/וירטואלי/ היברידי) מציאות) משקפיים, תצוגות הולוגרפיות, שבבי עיבוד קוונטי, בדיקות אופטוגנטיות שהושתלו במוח וכו'.

האינטגרציה בקנה מידה גדול של מאפני פאזה אופטיים היא הליבה של תת-המערכת האופטית לניתוב אופטי על-שבב ועיצוב חזית גל במרחב פנוי. שתי הפונקציות העיקריות הללו חיוניות למימוש יישומים שונים. עם זאת, עבור מאפני פאזה אופטיים בטווח האור הנראה, זה מאתגר במיוחד לעמוד בדרישות של שידור גבוה ומודולציה גבוהה בו-זמנית. כדי לעמוד בדרישה זו, אפילו חומרי הסיליקון ניטריד והליתיום ניובאט המתאימים ביותר צריכים להגדיל את הנפח וצריכת החשמל.

כדי לפתור בעיה זו, מיכל ליפסון וננפאנג יו מאוניברסיטת קולומביה תכננו מאפנן פאזה תרמו-אופטי סיליקון ניטריד המבוסס על מהוד המיקרו-טבעת האדיאבטי. הם הוכיחו כי מהוד המיקרו-טבעת פועל במצב צימוד חזק. המכשיר יכול להשיג אפנון פאזה עם אובדן מינימלי. בהשוואה למאפני פאזה רגילים של מוליך גל, למכשיר יש לפחות סדר גודל הפחתת שטח וצריכת חשמל. התוכן הקשור פורסם ב-Nature Photonics.

מיכל ליפסון, מומחית מובילה בתחום הפוטוניקה המשולבת, המבוססת על סיליקון ניטריד, אמרה: "המפתח לפתרון המוצע שלנו הוא להשתמש במהוד אופטי ולפעול במה שנקרא מצב צימוד חזק".

המהוד האופטי הוא מבנה סימטרי ביותר, שיכול להמיר שינוי באינדקס השבירה קטן לשינוי פאזה באמצעות מחזורים מרובים של קרני אור. באופן כללי, ניתן לחלק אותו לשלושה מצבי עבודה שונים: "תחת צימוד" ו"תחת צימוד". צימוד קריטי" ו"צימוד חזק". ביניהם, "תחת צימוד" יכול לספק אפנון פאזה מוגבל בלבד ויציג שינויים מיותרים באמפליטודה, ו"צימוד קריטי" יגרום לאובדן אופטי משמעותי, ובכך ישפיע על הביצועים בפועל של המכשיר.

כדי להשיג אפנון פאזה מלא של 2π ושינוי משרעת מינימלי, צוות המחקר תמרן את המיקרורינג במצב "צימוד חזק". חוזק הצימוד בין המיקרורינג ל"אוטובוס" גבוה לפחות פי עשרה מאובדן המיקרורינג. לאחר סדרה של עיצובים ואופטימיזציה, המבנה הסופי מוצג באיור למטה. זוהי טבעת תהודה עם רוחב מתחדד. חלק מוליך הגל הצר משפר את חוזק הצימוד האופטי בין ה"אוטובוס" למיקרו-סליל. חלק מוליך הגל הרחב אובדן האור של המיקרורינג מופחת על ידי הפחתת הפיזור האופטי של הדופן.

Heqing Huang, המחבר הראשון של המאמר, אמר גם: "תכננו מאפנן פאזת אור גלוי זעיר, חוסך אנרגיה ובעל אובדן נמוך במיוחד עם רדיוס של 5 מיקרומטר בלבד וצריכת חשמל אפנון π-פאזה של רק 0.8 mW. וריאציה המשרעת שהוצגה היא פחות מ-10%. מה שנדיר יותר הוא שהאפנן הזה יעיל באותה מידה עבור הפסים הכחולים והירוקים הקשים ביותר בספקטרום הנראה".

Nanfang Yu גם ציין כי למרות שהם רחוקים מלהגיע לרמת האינטגרציה של מוצרים אלקטרוניים, עבודתם צמצמה באופן דרמטי את הפער בין מתגים פוטוניים למתגים אלקטרוניים. "אם טכנולוגיית המאפנן הקודמת אפשרה רק שילוב של 100 מאפני פאזה של מולי גל בהינתן טביעת רגל של שבב ותקציב הספק מסוים, אז נוכל כעת לשלב 10,000 משמרות פאזה באותו שבב כדי להשיג פונקציה מורכבת יותר."

בקיצור, ניתן ליישם שיטת תכנון זו על מאפננים אלקטרו-אופטיים כדי להפחית את השטח התפוס ואת צריכת המתח. זה יכול לשמש גם בטווחים ספקטרליים אחרים ועיצובי תהודה שונים אחרים. נכון לעכשיו, צוות המחקר משתף פעולה כדי להדגים את הספקטרום הגלוי LIDAR המורכב ממערכי מעבירי פאזה המבוססים על מיקרורינגים כאלה. בעתיד, ניתן ליישם אותו גם על יישומים רבים כגון אי-לינאריות אופטית משופרת, לייזרים חדשים ואופטיקה קוונטית חדשה.

מקור המאמר: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA

Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd. ממוקם ב"עמק הסיליקון" של סין - Beijing Zhongguancun, הוא מיזם היי-טק המוקדש לשירות מוסדות מחקר מקומיים וזרים, מכוני מחקר, אוניברסיטאות ואנשי מחקר מדעיים ארגוניים. חברתנו עוסקת בעיקר במחקר ופיתוח עצמאי, עיצוב, ייצור, מכירה של מוצרים אופטואלקטרוניים, ומספקת פתרונות חדשניים ושירותים מקצועיים מותאמים אישית לחוקרים מדעיים ומהנדסי תעשייה. לאחר שנים של חדשנות עצמאית, היא יצרה סדרה עשירה ומושלמת של מוצרים פוטו-אלקטריים, הנמצאים בשימוש נרחב בתעשיות עירוניות, צבאיות, תחבורה, חשמל, פיננסים, חינוך, רפואה ועוד.

אנו מצפים לשיתוף פעולה איתך!