体积最小、功率最低的可见光相位调制器诞生

近年来，各国研究人员利用集成光子学陆续实现了对红外光波的操纵，并将其应用于高速5G网络、芯片传感器和自动驾驶汽车等领域。目前，随着这个研究方向的不断深入，研究人员开始向更短的可见光波段范围进行深入的探测，并开发更为广泛的应用，比如芯片级LIDAR、AR/VR/MR（增强/虚拟/混合现实）眼镜、全息显示器、量子处理芯片和可植入大脑的光遗传学探针等等。

其中，光相位调制器的大规模集成是用于片上光路由和自由空间波前整形光子系统的核心，这两个基本功能对于各种应用的实现至关重要。然而对于可见光范围的光相位调制器而言，同时满足高透过率和高调制性的要求尤其具有挑战性，即使是目前最为合适的氮化硅和铌酸锂材料，也需要增大体积和功耗来满足这一要求。

为了解决这一问题，哥伦比亚大学的Michal Lipson和Nanfang Yu等人基于绝热微环谐振器设计了一种可见光范围的氮化硅热光相位调制器，并证明了在强耦合状态运行的微环谐振器可以实现最小损耗的相位调制，且与普通的波导相位调制器相比，该器件在占用空间和功耗方面至少降低了一个数量级，其相关内容已发表在Nature Photonics中。

可见光相位调制器和花粉的对比图

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

基于氮化硅的集成光子学领域的领先专家Michal Lipson表示：“我们提出的这种解决方案的关键是使用光学谐振器并在所谓的强耦合状态下运行。”

光学谐振器是一种具有高度对称性的结构，可以通过多次循环光束将微小的折射率变化转化为相位的变化，通常情况下可以分为三种不同的工作状态：“欠耦合”、“临界耦合”和“强耦合”。其中“欠耦合”仅能提供有限的相位调制，并会引入不必要的振幅变化，而“临界耦合”又会导致较强的光损耗，从而影响器件的实际性能。

为了实现完整的2π相位调制和最小的振幅变化，研究团队选择在“强耦合”状态下操纵微环，即微环和“总线”之间的耦合强度至少比微环的损耗高10倍。经过一系列的设计和优化后，最终结构如下图所示，这是一种宽度渐变的谐振环，其中窄波导部分用于提高“总线”和微环之间的光耦合强度，而宽波导部分则通过减少侧壁光学散射的方式来减小微环的光损耗。

设计的可见光相位调制器结构图

论文的第一作者Heqing Huang还对此表示：“我们设计了一种微型、节能且损耗极低的可见光相位调制器，其半径仅为5 μm，π相位调制功耗仅为0.8 mW，且由此引入的振幅变化均小于10%，更难得可贵的是，这种调制器对于可见光谱中最难的蓝色和绿色波段同样有效。”

Nanfang Yu还指出，虽然他们远未达到电子产品的集成度，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。“如果以前的调制器技术在给定一定的芯片占用空间和功率预算的情况下只允许集成100个波导相位调制器，那么现在我们可以在相同的芯片上集成 10000个移相器以实现更复杂的功能。”

总之，可以将这种设计方法应用于电光调制器中，以减少占用空间和电压消耗，还可以用于其他光谱范围以及其他不同的谐振器设计中。目前，该研究团队正在合作展示由基于这种微环的移相器阵列组成的可见光谱LIDAR，未来还可以将其应用于增强光学非线性、新型激光器以及新型量子光学等众多应用中。

本文由光电汇编辑王越根据phys.org内容编译，如需转载请注明。