哥伦比亚大学开发可见光调制器 无需调光

集成光子学是一个快速发展的行业，其红外光谱应用包括高速5G网络、芯片生物传感器和无人驾驶汽车。

研究人员现在正在探索可见光波长范围，以开发各种应用：芯片级激光雷达、AR／VR／MR护目镜、全息显示器、量子信息处理芯片和可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装置是光相位调制器，它控制着光波的相位，类似于无线计算机网络中无线电波的相位调制方式。

可见光范围内的相位调制器是很难制造的：没有任何材料在可见光范围内足够透明，同时又能通过热光学或电光学效应提供较大的可调性。目前，最适合的两种材料是氮化硅和铌酸锂。

因此，基于这些材料的可见光谱相位调制器不仅体积大，而且功耗高：单个基于波导的调制器的长度从数百微米到数毫米不等，单个调制器的相位调谐消耗几十毫瓦。到目前为止，试图实现大规模集成的研究人员一直受限于这些笨重、耗能的设备。

纽约哥伦比亚大学工程系的研究人员表示已经找到了解决这个问题的办法。他们已经开发出一种基于微环谐振器的方法，可以大大减少可见光谱相位调制器的尺寸和功耗，从1毫米到10微米，π相位调谐的功耗从几十毫瓦到低于一毫瓦。

可见光谱相位调制器（半径为10微米的中心环）比牵牛花的花粉粒小得多。图片来源：Heqing Huang and Cheng－Chia Tsai／Columbia Engineering．

哥伦比亚大学应用物理学副教授、联合首席研究员Nanfang Yu评论说：“将光限制在一个点上，并在不损失其大部分功率的情况下对其进行操纵，这真的很困难。我们已经取得了突破，这将大大扩展大规模、可见光谱集成光子学的视野”。

在可见光波段工作的传统光学相位调制器是基于光在波导中的传播。Nanfang Yu与同事Michal Lipson，一位基于氮化硅的集成光子学专家，共同开发了一种不同的方法。该团队的共同参与人、电子工程系尤金－希金斯教授和应用物理学教授Lipson说：“我们解决方案的关键是使用一个光学谐振器，并在所谓的＇强过度耦合＇制度下进行操作。”为了实现完整的2π相位调谐和最小的振幅变化，团队选择在强超耦合制度下操作微环，在这种条件下，微环和将光送入微环的总线波导之间的耦合强度至少比微环的损耗强10倍。

紧凑而高效的功率

该团队实验室的研究生和论文的第一作者Heqing Huang解释说：“我们最好的相位调制器工作在蓝色和绿色波长，这是可见光谱中最困难的部分，其半径只有5微米，π相位调谐时消耗0．8毫瓦，引入的振幅变化小于10％。此前，在可见波长范围内，还没有发现如此紧凑、节能、低损耗的相位调制器。”研究人员评论，虽然该成果还没有达到电子学的集成程度，但他们的工作正在实质性地缩小光子开关和电子开关之间的差距。

可见光谱相位调制器（半径为10微米中心的环）比蝴蝶翅膀刻度更小。图片来源：Heqing Huang and Cheng－Chia Tsai／Columbia Engineering．

Nanfang Yu说：“如果以前的调制器技术只允许在一定的芯片尺寸和功率预算下集成100个波导相位调制器，现在我们可以做得好100倍，在芯片上集成10000个移相器，实现更复杂的功能。

Lipson和Nanfang Yu实验室现在正在合作展示可见光谱激光雷达，它由基于绝热微环的大型二维移相器阵列组成。他们的可见光谱热光学装置所采用的设计策略可以应用于电光调制器，以减少它们的尺寸和驱动电压，并且可以适应其他光谱范围。