哥伦比亚大学工程与应用科学学院
可见光谱相位调制器(位于半径10微米中心的环)比蝴蝶翅膀的刻度更小
学分:黄河清和蔡承嘉/哥伦比亚工程 在过去的几十年里，研究人员已经从使用电流转向操纵近红外范围内的光波，用于高速5G网络、芯片上的生物传感器和无人驾驶汽车等电信应用
这个被称为集成光子学的研究领域正在快速发展，研究人员正在探索更短的可见光波长范围，以开发各种新兴应用
其中包括芯片级LIDAR(光探测和测距)、AR/VR/MR(增强/虚拟/混合现实)护目镜、全息显示器、量子信息处理芯片以及植入大脑的光遗传探针
在可见光范围内，对所有这些应用至关重要的一个设备是光学相位调制器，它控制光波的相位，类似于无线电波的相位在无线计算机网络中的调制方式
有了相位调制器，研究人员可以构建一个片上光学开关，将光导入不同的波导端口
有了这些光开关的大网络，研究人员可以创建复杂的集成光学系统，控制光在微小芯片上的传播或芯片的光发射
但是可见光范围内的相位调制器很难制造:没有一种材料在可见光范围内足够透明的同时还能通过热光或电光效应提供大的可调性
目前，两种最合适的材料是氮化硅和铌酸锂
虽然两者在可见光范围内都是高度透明的，但是没有一个提供非常好的可调性
因此，基于这些材料的可见光谱相位调制器不仅体积大，而且功耗也很高:单个基于波导的调制器的长度从几百微米到几毫米不等，单个调制器的相位调谐功耗为几十毫瓦
到目前为止，试图实现大规模集成(在一个微芯片上嵌入数千个设备)的研究人员一直受到这些庞大、耗能设备的阻碍
今天，哥伦比亚工程公司的研究人员宣布，他们已经找到了解决这个问题的办法——他们开发了一种基于微环谐振器的方法，将可见光谱相位调制器的尺寸和功耗从1毫米降低到10微米，将π相位调谐的几十毫瓦降低到1毫瓦以下
这项研究今天发表在《自然光子学》杂志上
“通常东西越大越好
但集成器件是一个明显的例外，”应用物理学副教授、该团队的联合首席研究员、纳米光子学专家于南方说
“很难将光限制在一个点上，并在不损失太多能量的情况下操纵它
我们很高兴在这项工作中我们取得了突破，这将大大扩展大规模可见光谱集成光子学的视野
" 在可见光波长下工作的传统光学相位调制器基于光在波导中的传播
于和他的同事Michal Lipson合作开发了一种非常不同的方法，Michal Lipson是基于氮化硅的集成光子学的领先专家
“我们的解决方案的关键是使用光学谐振器，并在所谓的强过耦合机制下运行，”该团队的联合PI负责人、电子工程教授、应用物理学教授尤金·希金斯(Eugene Higgins)说
可见光谱相位调制器(位于半径10微米中心的环)比蝴蝶翅膀的刻度更小
学分:黄河清和蔡承嘉/哥伦比亚工程 光学谐振器是具有高度对称性的结构，例如可以多次循环光束并将微小的折射率变化转化为大的相位调制的环
谐振器可以在几种不同的条件下工作，因此需要小心使用
例如，如果在“欠耦合”或“临界耦合”状态下工作，谐振器将仅提供有限的相位调制，并且更成问题的是，将大幅度变化引入光信号
后者是非常不希望的光损耗，因为来自单个相位调制器的甚至中等损耗的累积将阻止级联em以形成具有足够大输出信号的电路
为了实现完整的2π相位调谐和最小幅度变化，Yu-Lipson团队选择在“强过耦合”状态下操作微环，在这种情况下，微环和将光馈送到环中的“总线”波导之间的耦合强度比微环的损耗至少强10倍
李普森解释说:“后者主要是由于器件侧壁纳米级粗糙度的光散射。”
“你永远无法制造出表面非常光滑的光子器件
" 该团队开发了几种策略，将设备推入强过耦合状态
最关键的一个是他们发明了一种绝热微环几何结构，在这种几何结构中，环在窄颈和宽腹之间平滑过渡，窄颈和宽腹位于环的相对边缘
环的窄颈有利于总线波导和微环之间的光交换，因此增强了耦合强度
该环的宽腹减少了光损耗，因为被引导的光只与绝热微环的加宽部分的外侧壁相互作用，而不是内侧壁相互作用，从而大大减少了侧壁粗糙度处的光散射
在对在同一芯片上并排制造的具有均匀宽度的绝热微环和传统微环的比较研究中，研究小组发现，没有一个传统微环满足强过耦合条件——事实上，它们遭受了非常糟糕的光损耗——而63%的绝热微环保持在强过耦合状态下工作
“我们最好的相位调制器工作在蓝色和绿色，这是可见光谱中最困难的部分，半径只有5微米，功耗为0
8毫瓦用于π相位调谐，并引入小于10%的幅度变化，”于实验室的研究生、该论文的第一作者说
“以前没有任何工作证明在可见光波长下有如此紧凑、节能和低损耗的相位调制器
" 这些设备是于的实验室设计的，在哥伦比亚纳米倡议洁净室、纽约城市大学研究生中心的先进科学研究中心纳米制造设施以及康奈尔纳米科技设施中制造
李普森和于的实验室进行了设备表征
研究人员指出，虽然他们还远没有达到电子集成的程度，但他们的工作大大缩小了光子开关和电子开关之间的差距
俞敏洪说:“如果以前的调制器技术只允许在给定一定芯片尺寸和功率预算的情况下集成100个波导相位调制器，现在我们可以做得更好100倍，并将10，000个移相器集成在芯片上，以实现更复杂的功能。”
可见光谱相位调制器(位于半径10微米中心的环)比牵牛花的一粒花粉小得多
学分:黄河清和蔡承嘉/哥伦比亚工程 利普森实验室和于实验室现在正在合作演示由基于绝热微环的大型移相器阵列组成的可见光谱激光雷达
用于可见光谱热光器件的设计策略可以应用于电光调制器，以减少它们的占地面积和驱动电压，并且可以适用于其他光谱范围(例如
g
紫外线、电信、中红外和太赫兹)以及微环之外的其他谐振器设计
李普森说:“因此，我们的工作可以激发未来的努力，人们可以在广泛的基于谐振器的设备中实现强过耦合，以增强光-物质相互作用，例如，增强光学非线性，制造新型激光器，观察新型量子光学效应，同时抑制光学损耗。”
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