Un nouvel appareil module la lumière visible avec la plus petite empreinte et la plus faible consommation d'énergie

Au cours des dernières décennies, les chercheurs sont passés de l'utilisation des courants électriques à la manipulation des ondes lumineuses dans le proche infrarouge pour les applications de télécommunications telles que les réseaux 5G à haut débit, 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 une grande variété d'applications émergentes. Ceux-ci incluent la détection et la télémétrie de la lumière à l'échelle de la puce (LiDAR), les lunettes de réalité augmentée/virtuelle/mixte (AR/VR/MR), les écrans holographiques, les puces de traitement de l'information quantique et les sondes optogénétiques implantables dans le cerveau.

Le seul appareil essentiel à toutes ces applications dans le domaine visible est un modulateur de phase optique, qui contrôle la phase d'une onde lumineuse, de la même manière que la phase des ondes radio est modulée dans les réseaux informatiques sans fil. Avec un modulateur de phase, les chercheurs peuvent construire un commutateur optique sur puce qui canalise la lumière dans différents ports de guide d'ondes. Avec un vaste réseau de ces commutateurs optiques, les chercheurs pourraient créer des systèmes optiques intégrés sophistiqués capables de contrôler la propagation de la lumière sur une minuscule puce.

Mais 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 tout en offrant 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 très transparents dans la gamme visible, aucun n'offre une grande adaptabilité. Les modulateurs de phase à spectre visible basés sur ces matériaux sont donc non seulement volumineux mais également gourmands en énergie :la longueur des modulateurs individuels basés sur des guides d'ondes varie de centaines de microns à plusieurs millimètres, et un seul modulateur consomme des dizaines de milliwatts pour le réglage de phase. Jusqu'à présent, les chercheurs qui tentent de réaliser une intégration à grande échelle (intégrant des milliers d'appareils sur une seule puce) ont été bloqués par ces appareils encombrants et énergivores.

Les chercheurs de Columbia Engineering ont trouvé une solution à ce problème :ils ont développé un moyen basé sur des résonateurs à micro-anneaux pour réduire considérablement à la fois la taille et la consommation d'énergie d'un modulateur de phase à spectre visible, d'un millimètre à 10 microns, et de des dizaines de milliwatts pour un réglage de phase π inférieur à un milliwatt.

Les résonateurs optiques sont des structures à haut degré de symétrie, telles que des anneaux, qui peuvent cycler un faisceau de lumière plusieurs fois et traduire de minuscules changements d'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, s'il fonctionne dans les régimes "sous-couplé" ou "couplé critique", un résonateur ne fournira qu'une modulation de phase limitée et, plus problématiquement, introduira une grande variation d'amplitude dans le signal optique. Cette dernière est une perte optique hautement indésirable car l'accumulation de pertes même modérées des modulateurs de phase individuels empêchera leur mise en cascade pour former un circuit qui a un signal de sortie suffisamment grand.

Pour obtenir un accord de phase 2π complet et une variation d'amplitude minimale, l'équipe de recherche a choisi de faire fonctionner un micro-anneau dans le régime "fortement surcouplé", une condition dans laquelle la force de couplage entre le micro-anneau et le guide d'ondes "bus" qui alimente la lumière dans l'anneau est au moins 10 fois plus forte que la perte du micro-anneau, qui est principalement due à la diffusion optique à la rugosité à l'échelle nanométrique sur les parois latérales de l'appareil.

L'équipe a développé plusieurs stratégies pour pousser les dispositifs dans le régime fortement surcouplé. Le plus crucial était leur invention d'une géométrie de micro-anneau adiabatique, dans laquelle l'anneau passe en douceur entre un col étroit et un ventre large, qui se trouvent sur les bords opposés de l'anneau. Le col étroit de l'anneau facilite l'échange de lumière entre le guide d'onde bus et le micro-anneau, améliorant 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 extérieure, et non la paroi latérale intérieure, de la partie élargie du micro-anneau adiabatique, réduisant 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 constaté qu'aucun des micro-anneaux conventionnels ne satisfaisait à la condition de surcouplage fort - en fait, ils souffraient de très mauvaises pertes optiques — tandis que 63 % des micro-anneaux adiabatiques continuaient à fonctionner dans le régime fortement surcouplé.

Leurs meilleurs modulateurs de phase fonctionnant dans les couleurs bleue et verte, qui sont les parties les plus difficiles du spectre visible, ont un rayon de seulement cinq microns, consomment une puissance de 0,8 mW pour le réglage de phase π et introduisent une variation d'amplitude inférieure à 10 pour cent. Selon les chercheurs, aucun travail antérieur n'a démontré des modulateurs de phase aussi compacts, économes en énergie et à faible perte aux longueurs d'onde visibles.

Les chercheurs notent que bien qu'ils soient loin du degré d'intégration de l'électronique, leurs travaux réduisent considérablement 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 faire cela 100 fois mieux et intégrer 10 000 déphaseurs sur une puce pour réaliser des fonctions beaucoup plus sophistiquées", a déclaré le professeur Nanfang. You.

Les chercheurs travaillent actuellement à démontrer les inconvénients du LiDAR à spectre visibles isting de grands réseaux 2D de déphaseurs basés sur des micro-anneaux adiabatiques. Les stratégies de conception employées pour leurs dispositifs thermo-optiques à spectre visible peuvent être appliquées aux modulateurs électro-optiques pour réduire leurs empreintes et leurs tensions de commande et peuvent être adaptées dans d'autres gammes spectrales (par exemple, ultraviolet, télécom, infrarouge moyen et térahertz) et dans d'autres conceptions de résonateur au-delà des micro-anneaux.