撰稿 | Philip （香港科技大學(xué)， 博士生）

指導(dǎo) | 虞南方（美國(guó)哥倫比亞大學(xué)，副教授）

近紅外范圍內(nèi)的光波在過(guò)去幾十年內(nèi)取代電流，被廣泛用于高速 5G 網(wǎng)絡(luò)、芯片上的生物傳感器和無(wú)人駕駛汽車等相關(guān)應(yīng)用。這其中涉及的集成光學(xué)也正在快速發(fā)展，研究人員正在探索更短的可見光波段的集成光學(xué)，以尋求更多的新興應(yīng)用。其中就包括芯片級(jí)光檢測(cè)和測(cè)距 (LiDAR)、增強(qiáng)/虛擬/混合現(xiàn)實(shí) (AR/VR/MR) 護(hù)目鏡、全息顯示器、量子信息處理芯片和可植入大腦的光遺傳學(xué)探針等領(lǐng)域的應(yīng)用。

可見光波段的相位調(diào)制器便是實(shí)現(xiàn)所有這些應(yīng)用至關(guān)重要的一種器件。它可以控制光波的相位，類似于無(wú)線電波相位在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)制方式。相位調(diào)制器是實(shí)現(xiàn)集成光開關(guān)的關(guān)鍵，而后者可將光引導(dǎo)到不同的波導(dǎo)端口。這些光開關(guān)組成的大型網(wǎng)絡(luò)可以創(chuàng)建復(fù)雜的集成光學(xué)系統(tǒng)，從而控制在微型芯片上傳播的光或從芯片發(fā)射的光。

圖1：基于熱光效應(yīng)的Si?N? 相位調(diào)制微環(huán)諧振器（圖源：Nature Photonics）

然而可見光范圍內(nèi)的相位調(diào)制器卻很難制造，其原因是幾乎所有材料都不能既對(duì)于可見光譜足夠透明，又同時(shí)能夠提供較大的熱光或光電效應(yīng)。目前，最合適的兩種可見光波段的集成光學(xué)材料是氮化硅（Si?N?）和鈮酸鋰（LN）；兩者在可見光范圍內(nèi)都高度透明，但可調(diào)性都不高。

正因如此，基于這些材料的可見光相位調(diào)制器不僅體積大，而且耗電：基于波導(dǎo)的單個(gè)調(diào)制器的長(zhǎng)度從數(shù)百微米到幾毫米不等，進(jìn)行相位調(diào)制需要消耗數(shù)十毫瓦能量。研究人員試圖實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成的目標(biāo)（在單個(gè)微型芯片上嵌入數(shù)千個(gè)器件）也一直因?yàn)檫@些笨重、耗能的器件而受到阻礙。

基于此，來(lái)自美國(guó)哥倫比亞大學(xué)和美國(guó)塔夫茨大學(xué)的研究人員最近開發(fā)了一種基于“強(qiáng)‘過(guò)耦合’”（strongly over-coupled）狀態(tài)下操作的微環(huán)諧振器（MRR），可以將可見光相位調(diào)制器的尺寸從 1 毫米大幅減小到 10 微米，用于π相位調(diào)制的功耗從數(shù)十毫瓦降到低于 1 毫瓦。

該研究以“Robust, efficient, micrometre-scale phase modulators at visible wavelengths”為題在 Nature Photonics發(fā)表。

圖2：可見光相位調(diào)制器（半徑為 10 微米的中心的環(huán)）比蝴蝶翼鱗更小。（圖源：Heqing Huang ， Cheng-Chia Tsai和Nanfang Yu （虞南方）/美國(guó)哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院）

一、如何解決問(wèn)題

傳統(tǒng)光學(xué)相位調(diào)制器是基于光在波導(dǎo)中傳播的相位累積。而該團(tuán)隊(duì)所使用的MRR具有高度對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，可以多次循環(huán)光束，且將微小的折射率變化轉(zhuǎn)化為較大相位調(diào)制。MRR可以在幾種不同的狀態(tài)下工作。如果在“欠耦合”或“臨界耦合”狀態(tài)下工作，諧振器將僅提供有限的相位調(diào)制，同時(shí)會(huì)給光信號(hào)帶來(lái)強(qiáng)度變化。光強(qiáng)變化也是一種光損耗，而來(lái)自每個(gè)相位調(diào)制器的損耗累積后會(huì)使得它們的輸出信號(hào)強(qiáng)度不足以達(dá)到級(jí)聯(lián)的目標(biāo)。

為了實(shí)現(xiàn)完整的 2π 相位調(diào)制和最小光強(qiáng)變化，該研究團(tuán)隊(duì)選擇在“強(qiáng)‘過(guò)耦合’”狀態(tài)下操作微環(huán)，在這種情況下微環(huán)和總線波導(dǎo)之間的耦合強(qiáng)度至少比微環(huán)的損耗強(qiáng) 10 倍。而微環(huán)損耗主要是由于器件側(cè)壁上納米級(jí)粗糙度的光學(xué)散射。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了幾種策略來(lái)將相位調(diào)制器成功推入“強(qiáng)‘過(guò)耦合’”狀態(tài)（耦合強(qiáng)度10倍于微環(huán)損耗）。其中最關(guān)鍵的是他們采用的寬度漸變的微環(huán)諧振器：環(huán)在狹窄的頸部和寬腹之間平滑過(guò)渡。環(huán)的窄頸有利于總線波導(dǎo)和微環(huán)之間的光交換，從而增強(qiáng)耦合強(qiáng)度。環(huán)的寬腹部減少了光損耗，因?yàn)楣獠▋H與微環(huán)加寬部分的外側(cè)壁相互作用，而不與內(nèi)側(cè)壁相互作用，從而大大減少了側(cè)壁粗糙處的光學(xué)散射。

圖3：可見光譜相位調(diào)制器（半徑為 10 微米的圓環(huán)）比牽?；ǖ囊涣；ǚ坌〉枚?。（圖源：Heqing Huang ， Cheng-Chia Tsai和Nanfang Yu （虞南方）/美國(guó)哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院）

二、核心成果

與基于波導(dǎo)的相位調(diào)制器相比，微環(huán)諧振器在功率和緊湊性方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。此類器件還有助于解決由材料生長(zhǎng)和微加工的精確度引起的相位誤差問(wèn)題，這是大規(guī)模集成光子電路中面臨的普遍挑戰(zhàn)。

2.1 功率和緊湊性

該成果最好的相位調(diào)制器工作在藍(lán)色和綠色波段，這些短波可見光更容易被材料吸收或散射，因而是可見光譜中最困難的部分。該團(tuán)隊(duì)所實(shí)現(xiàn)的藍(lán)光和綠光相位調(diào)制器半徑只有 5 到 10 微米，π 相位調(diào)制僅消耗 0.8 mW 功率，并且引入的光強(qiáng)變化小于 10%。相較于基于波導(dǎo)的相位調(diào)制器，他們的器件的尺寸小了兩個(gè)數(shù)量級(jí)而功耗至少小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。此工作是首個(gè)證明在可見光波長(zhǎng)下可實(shí)現(xiàn)如此低損耗、緊湊且節(jié)能的相位調(diào)制器。

這種小而高效的相位調(diào)制器也有望實(shí)現(xiàn)片上的高度集成。鑒于芯片的面積和功耗限制，以前在可見波長(zhǎng)下，只能實(shí)現(xiàn)大約 100 個(gè)基于波導(dǎo)的相位調(diào)制器的集成。而利用此技術(shù)，可將集成度提高兩個(gè)數(shù)量級(jí)，即在原則上可在芯片上集成 10,000 個(gè)相位調(diào)制器，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。

2.2 制造誤差的頑健性

大規(guī)模片上集成面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)是器件性能與設(shè)計(jì)的偏差。此偏差主要來(lái)自兩方面原因：

（1）超凈間制造不可避免地會(huì)導(dǎo)致器件幾何形狀發(fā)生一定程度的變化（例如，Si?N?薄膜的厚度、波導(dǎo)和微環(huán)的寬度等）；

（2）使用過(guò)程中芯片的溫度可能不均勻。

對(duì)于波導(dǎo)相位調(diào)制器，這些偏差會(huì)導(dǎo)致相位誤差，而對(duì)于微環(huán)，則會(huì)造成諧振頻率的變化。因此實(shí)際上每個(gè)相位調(diào)制器都必須有自己的加熱偏置來(lái)通過(guò)熱光效應(yīng)校正相位誤差，或?qū)⑽h(huán)的諧振頻率與激光光源頻率對(duì)齊，這不可避免的需要增加功耗。

而此項(xiàng)工作中微環(huán)的加寬部分，使得光波被推向外側(cè)壁，與內(nèi)側(cè)壁沒(méi)有接觸。也就是說(shuō)，加寬部分的準(zhǔn)確寬度不再重要。這種結(jié)構(gòu)降低了對(duì)器件的精確幾何形狀的要求，使得此種微環(huán)能夠抵抗器件制造中引入的尺寸誤差。其實(shí)驗(yàn)表明，微環(huán)具有穩(wěn)定諧振頻率的能力：相比于寬度均一的傳統(tǒng)微環(huán)，此種微環(huán)的調(diào)諧所需的加熱功率降低了三倍以上。同時(shí)，與波導(dǎo)相位調(diào)制器相比，器件尺寸引起的相位誤差也小了幾倍。

三、應(yīng)用和意義

集成光子學(xué)領(lǐng)域的專家，哥倫比亞大學(xué)教授Michal Lipson院士評(píng)價(jià)說(shuō)道：“我們的工作可以啟發(fā)未來(lái)人們?cè)诟鞣N基于諧振器的設(shè)備中利用“強(qiáng)‘過(guò)耦合’”效應(yīng)以增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用。例如，用于增強(qiáng)光學(xué)非線性、制造新型激光器、實(shí)現(xiàn)新型量子光學(xué)效應(yīng)，同時(shí)抑制光損耗。”

Michal Lipson和虞南方的實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)在正在合作實(shí)現(xiàn)基于大型二維微環(huán)相位調(diào)制器陣列的可見光譜 LiDAR。此項(xiàng)工作所展示的可見光譜熱光器件的設(shè)計(jì)策略還可應(yīng)用于電光調(diào)制器，以減少其占用空間和驅(qū)動(dòng)電壓，并可適用于其他光譜范圍（例如，紫外線、電信、中紅外和太赫茲）和微環(huán)以外的諧振器。

論文信息

Guozheng Liang, Heqing Huang, Aseema Mohanty, Min Chul Shin, Xingchen Ji, Michael Joseph Carter, Sajan Shrestha, Michal Lipson, and Nanfang Yu, Robust, efficient, micrometre-scale phase modulators at visible wavelengths. Nat. Photon. 15, 908–913 (2021).

https://doi.org/10.1038/s41566-021-00891-y

監(jiān)制 | 趙陽(yáng)

編輯 | 趙唯

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