Le nouvel appareil module la lumière visible – sans l’assombrir – avec le plus petit encombrement et la plus faible consommation d’énergie possible


Le nouvel appareil module la lumière visible - sans l'assombrir - avec le plus petit encombrement et la plus faible consommation d'énergie possible

Un modulateur de phase du spectre visible (l’anneau au milieu d’un rayon de 10 micromètres) est plus petit qu’une échelle d’aile de papillon. Source : Heqing Huang et Cheng-Chia Tsai / Columbia Engineering

Au cours des dernières décennies, les chercheurs ont abandonné l’utilisation de courants électriques pour manipuler les ondes lumineuses dans le proche infrarouge pour des applications de télécommunications telles que les réseaux 5G à grande vitesse, les biocapteurs sur puce et les voitures sans conducteur. Ce domaine de recherche, connu sous le nom de photonique intégrée, évolue rapidement et les chercheurs explorent maintenant la gamme de longueurs d’onde plus courte – visible – pour développer un large éventail de nouvelles applications. Ceux-ci incluent des lunettes LIDAR (Light Detection and Ranging) à l’échelle de la puce, AR / VR / MR (Augmented / Virtual / Mixed Reality), des écrans holographiques, des puces de traitement de l’information quantique et des sondes optogénétiques implantables dans le cerveau.

Le seul dispositif critique pour toutes ces applications visibles est un modulateur de phase optique qui contrôle la phase d’une onde lumineuse, un peu comme la phase des ondes radio est modulée dans les réseaux informatiques sans fil. un modulateur de phase, les chercheurs peuvent construire un commutateur optique sur la puce qui dirige la lumière dans différents ports de guide d’ondes. Avec un vaste réseau de ces commutateurs optiques, les chercheurs pourraient développer des systèmes optiques intégrés sophistiqués qui pourraient contrôler la propagation de la lumière sur une puce ou l’émission de lumière à partir de la puce.

Cependant, les modulateurs de phase dans le domaine visible sont très difficiles à fabriquer : il n’existe pas de matériaux suffisamment transparents dans le spectre visible et offrant en même temps une grande accordabilité, que ce soit par des effets thermo-optiques ou électro-optiques. Actuellement, les deux matériaux les plus adaptés sont le nitrure de silicium et le niobate de lithium. Bien que les deux soient hautement transparents dans la zone visible, aucun n’offre une grande possibilité de réglage. Les modulateurs de phase avec un spectre visible basés sur ces matériaux sont donc non seulement volumineux, mais aussi gourmands en énergie : la longueur des modulateurs individuels à base de guides d’ondes varie de centaines de micromètres à plusieurs mm et un seul modulateur consomme des dizaines de mW pour l’adaptation de phase. Les chercheurs qui tentent de réaliser une intégration à grande échelle où des milliers d’appareils sont intégrés sur une seule micropuce ont jusqu’à présent été entravés par ces appareils volumineux et énergivores.

Les chercheurs de Columbia Engineering ont annoncé aujourd’hui avoir trouvé une solution à ce problème – ils ont développé un moyen basé sur des résonateurs à micro-anneau pour réduire à la fois la taille et la consommation d’énergie d’un modulateur de phase dans le spectre visible de 1 mm 1 mm à réduire de 10 micromètres et de quelques dizaines de mW pour un accord de phase inférieur à 1 mW. L’étude a été publiée aujourd’hui par Photonique de la nature.

« Habituellement, plus quelque chose est gros, mieux c’est. Mais les dispositifs intégrés sont une exception notable », a déclaré Nanfang Yu, professeur agrégé de physique appliquée, co-chercheur principal (PI) de l’équipe et expert en nanophotonique. « Il est vraiment difficile de focaliser la lumière sur un point et de le manipuler sans perdre une grande partie de ses performances. Nous sommes ravis d’avoir réalisé une percée avec ce travail qui élargira considérablement l’horizon de la photonique intégrée à grande échelle dans le spectre visible. »

Les modulateurs de phase optiques classiques qui fonctionnent aux longueurs d’onde visibles sont basés sur la propagation de la lumière dans des guides d’ondes. Yu et son collègue Michal Lipson, le principal expert en photonique intégrée à base de nitrure de silicium, ont développé une approche complètement différente.

« La clé de notre solution était d’utiliser un résonateur optique et de le faire fonctionner dans ce que l’on appelle le régime hautement surcouplé », a déclaré Lipson, co-PI de l’équipe et professeur Eugene Higgins de génie électrique et professeur de physique appliquée.

Le nouvel appareil module la lumière visible - sans l'assombrir - avec le plus petit encombrement et la plus faible consommation d'énergie possible

Un modulateur de phase du spectre visible (l’anneau au milieu d’un rayon de 10 micromètres) est plus petit qu’une échelle d’aile de papillon. Source : Heqing Huang et Cheng-Chia Tsai / Columbia Engineering

Les résonateurs optiques sont des structures à haut degré de symétrie, telles que des anneaux, qui peuvent traverser un faisceau de lumière plusieurs fois et convertir de minuscules changements de l’indice de réfraction en une grande modulation de phase. Les résonateurs peuvent fonctionner dans différentes conditions et doivent donc être utilisés avec précaution. Par exemple, lorsqu’il fonctionne en régime « sous-couplé » ou « couplé de manière critique », un résonateur n’offre qu’une modulation de phase limitée et, plus problématique encore, introduit une grande variation d’amplitude dans le signal optique. Ce dernier est une perte optique hautement indésirable car l’accumulation de pertes même modérées des modulateurs de phase individuels les empêche d’être mis en cascade pour former un circuit qui a un signal de sortie suffisamment grand.

Afin d’obtenir un accord de phase complet de 2π et des fluctuations d’amplitude minimales, l’équipe Yu-Lipson a décidé de faire fonctionner un micro-anneau dans le régime « fortement surcouplé », une condition dans laquelle la de couplage entre le micro-anneau et le « bus » guide d’ondes, la lumière d’alimentation dans l’anneau est au moins 10 fois plus forte que la perte du micro-anneau. « Ce dernier est principalement dû à la diffusion optique due à la rugosité à l’échelle nanométrique sur les parois latérales de l’appareil », a expliqué Lipson. « Vous ne pouvez jamais fabriquer d’appareils photoniques avec des surfaces parfaitement lisses. »

L’équipe a développé plusieurs stratégies pour amener les appareils dans la zone fortement surcouplée. Le plus important d’entre eux était son invention d’une géométrie de micro-anneau adiabatique, dans laquelle l’anneau passe doucement entre un col étroit et un large ventre situé sur les bords opposés de l’anneau. Le col annulaire étroit facilite l’échange de lumière entre le guide d’ondes bus et le micro-anneau et augmente ainsi la force de couplage. Le large ventre de l’anneau réduit la perte optique car la lumière guidée n’interagit qu’avec la paroi latérale externe, et non la paroi latérale interne, de la partie agrandie du micro-anneau adiabatique, réduisant ainsi considérablement la diffusion optique au niveau de la rugosité de la paroi latérale.

Dans une étude comparative de micro-anneaux adiabatiques et de micro-anneaux conventionnels de largeur uniforme fabriqués côte à côte sur la même puce, l’équipe a découvert qu’aucun des micro-anneaux conventionnels ne répondait à l’exigence de surcouplage sévère – en fait, ils ont souffert pertes optiques très faibles – pendant 63 % du temps, les micro-anneaux adiabatiques ont continué à fonctionner dans la zone fortement surcouplée.

« Nos meilleurs modulateurs de phase, fonctionnant sur les couleurs bleu et vert, qui sont la partie la plus dure du spectre visible, n’ont que 5 microns de rayon, utilisent 0,8 mW de puissance pour régler la phase et varient en amplitude moins de .a 10 % », a déclaré Heqing Huang, un étudiant diplômé du laboratoire de Yu et premier auteur de l’article. « Aucun travail antérieur n’a montré des modulateurs de phase aussi compacts, économes en énergie et à perte aux longueurs d’onde visibles. »

Les appareils ont été conçus dans le laboratoire de Yu et fabriqués dans la salle blanche de la Columbia Nano Initiative, l’installation de nanofabrication du Advanced Science Research Center du Graduate Center de la City University de New York et la Cornell NanoScale Science and Technology Facility. La caractérisation du dispositif a été réalisée dans les laboratoires Lipson et Yu.

Les chercheurs constatent que bien qu’ils soient loin du niveau d’intégration de l’électronique, leur travail a considérablement réduit l’écart entre les commutateurs photoniques et électroniques. « Si les technologies de modulateur précédentes ne permettaient que l’intégration de 100 modulateurs de phase de guide d’ondes avec une certaine empreinte de puce et un certain budget de puissance, nous pouvons maintenant le faire 100 fois mieux et intégrer 10 000 déphaseurs sur la puce pour réaliser des fonctions beaucoup plus sophistiquées », a déclaré Yu.

Le nouvel appareil module la lumière visible - sans l'assombrir - avec le plus petit encombrement et la plus faible consommation d'énergie possible

Un modulateur de phase du spectre visible (l’anneau au centre avec un rayon de 10 microns) est beaucoup plus petit qu’un grain de pollen des vents. Source : Heqing Huang et Cheng-Chia Tsai / Columbia Engineering

Les laboratoires de Lipson et Yu travaillent maintenant ensemble pour démontrer le LIDAR dans le spectre visible, qui est composé de grands réseaux 2D de déphaseurs basés sur des micro-anneaux adiabatiques. Les stratégies de conception utilisées pour leurs dispositifs thermo-optiques dans le spectre visible peuvent être appliquées aux modulateurs électro-optiques pour réduire leur empreinte et leurs tensions de commande, et peuvent être utilisées dans d’autres régions spectrales (par exemple, ultraviolet, télécommunications, moyen infrarouge et THz.)) Et dans d’autres conceptions de résonateurs au-delà des micro-anneaux.

« Notre travail peut donc stimuler les efforts futurs dans lesquels les humains peuvent mettre en œuvre un couplage croisé fort dans un grand nombre de dispositifs à base de résonateurs afin d’améliorer les interactions lumière-matière, par exemple pour améliorer la non-linéarité optique, pour fabriquer de nouveaux lasers, pour observer de nouveaux ceux des effets optiques quantiques tout en supprimant les pertes optiques », a déclaré Lipson.


Filtres d’ajout / de suppression de fréquence pour la manipulation de la lumière sur puce


Plus d’information:
Guozhen Liang et al., Modulateurs de phase robustes et efficaces dans la gamme micrométrique aux longueurs d’onde visibles, Photonique de la nature (2021). DOI : 10.1038 / s41566-021-00891-y

Fourni par Columbia University School of Engineering and Applied Science

Citation: Un nouvel appareil la lumière visible – sans l’assombrir – avec le plus petit encombrement et la plus faible consommation d’énergie (2021, 22 novembre), consulté le 22 novembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-11-device – module-visible-lumière sans-gradation.html

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