تم إنشاء أصغر مُعدِّل طور ضوئي مرئي بأقل طاقة

في السنوات الأخيرة، استخدم باحثون من مختلف البلدان الضوئيات المتكاملة لتحقيق التلاعب بموجات الضوء تحت الأحمر وتطبيقها على شبكات الجيل الخامس عالية السرعة، وأجهزة استشعار الرقائق، والمركبات المستقلة. في الوقت الحاضر، مع التعمق المستمر في هذا الاتجاه البحثي، بدأ الباحثون في إجراء اكتشاف متعمق لنطاقات الضوء المرئي الأقصر وتطوير تطبيقات أكثر شمولاً، مثل LIDAR على مستوى الرقاقة، وAR/VR/MR (المحسن/الافتراضي/ الهجين) الواقع) النظارات، وشاشات العرض المجسمة، ورقائق المعالجة الكمومية، والمسابير الضوئية المزروعة في الدماغ، وما إلى ذلك.

يعد التكامل واسع النطاق لمعدِّلات الطور البصري جوهر النظام الفرعي البصري للتوجيه البصري على الرقاقة وتشكيل واجهة الموجة في الفضاء الحر. هاتان الوظيفتان الأساسيتان ضروريتان لتحقيق التطبيقات المختلفة. ومع ذلك، بالنسبة لمعدِّلات الطور البصري في نطاق الضوء المرئي، فمن الصعب بشكل خاص تلبية متطلبات النفاذية العالية والتشكيل العالي في نفس الوقت. لتلبية هذا المطلب، حتى أنسب مواد نيتريد السيليكون ونيوبات الليثيوم تحتاج إلى زيادة الحجم واستهلاك الطاقة.

لحل هذه المشكلة، صمم ميشال ليبسون ونانفانغ يو من جامعة كولومبيا مُعدِّل طور حراري بصري من نيتريد السيليكون يعتمد على مرنان حلقة دقيقة ثابت الحرارة. لقد أثبتوا أن مرنان الحلقة الدقيقة يعمل في حالة اقتران قوية. يمكن للجهاز تحقيق تعديل الطور بأقل خسارة. بالمقارنة مع معدّلات طور الدليل الموجي العادية، يحتوي الجهاز على الأقل على ترتيب تخفيض الحجم في المساحة واستهلاك الطاقة. تم نشر المحتوى ذي الصلة في Nature Photonics.

وقال ميشال ليبسون، الخبير البارز في مجال الضوئيات المتكاملة، المعتمدة على نيتريد السيليكون: "إن مفتاح الحل المقترح لدينا هو استخدام مرنان بصري والعمل في ما يسمى بحالة الاقتران القوية".

المرنان البصري عبارة عن بنية متناظرة للغاية، يمكنها تحويل تغير معامل الانكسار الصغير إلى تغير طور من خلال دورات متعددة من أشعة الضوء. بشكل عام، يمكن تقسيمها إلى ثلاث حالات عمل مختلفة: "تحت الاقتران" و"تحت الاقتران". "الاقتران الحرج" و"الاقتران القوي". من بينها، "تحت الاقتران" لا يمكن أن يوفر سوى تعديل طور محدود وسيُدخل تغييرات غير ضرورية في السعة، وسيتسبب "الاقتران الحرج" في خسارة بصرية كبيرة، مما يؤثر على الأداء الفعلي للجهاز.

لتحقيق تعديل كامل للطور 2π والحد الأدنى من تغيير السعة، قام فريق البحث بالتلاعب بالحلقة الدقيقة في حالة "الاقتران القوي". إن قوة الاقتران بين الحلقة الميكروية و"الحافلة" أعلى بعشر مرات على الأقل من فقدان الحلقة الميكروية. وبعد سلسلة من التصميمات والتحسينات، يظهر الهيكل النهائي في الشكل أدناه. هذه حلقة رنانة ذات عرض مدبب. يعمل جزء الدليل الموجي الضيق على تحسين قوة الاقتران البصري بين "الحافلة" والملف الصغير. جزء الدليل الموجي العريض يتم تقليل فقدان الضوء للحلقة الدقيقة عن طريق تقليل التشتت البصري للجدار الجانبي.

وقال هيكينج هوانج، المؤلف الأول للورقة البحثية، أيضًا: "لقد صممنا مُعدِّل طور ضوء مرئي مصغر وموفر للطاقة ومنخفض للغاية مع نصف قطر يبلغ 5 ميكرومتر فقط واستهلاك طاقة تعديل الطور π يبلغ فقط 0.8 ميغاواط. تباين السعة المقدمة أقل من 10%. والأكثر ندرة هو أن هذا المُعدِّل فعال بنفس القدر بالنسبة للنطاقات الزرقاء والخضراء الأكثر صعوبة في الطيف المرئي.

وأشار نانفانغ يو أيضًا إلى أنه على الرغم من أنهم بعيدون عن الوصول إلى مستوى تكامل المنتجات الإلكترونية، إلا أن عملهم أدى إلى تضييق الفجوة بشكل كبير بين المفاتيح الضوئية والمفاتيح الإلكترونية. "إذا كانت تقنية المغير السابقة تسمح فقط بدمج 100 من مُعدِّلات طور الدليل الموجي نظرًا لبصمة شريحة معينة وميزانية طاقة معينة، فيمكننا الآن دمج 10000 مبدل طور على نفس الشريحة لتحقيق وظيفة أكثر تعقيدًا."

باختصار، يمكن تطبيق طريقة التصميم هذه على المعدِّلات الكهروضوئية لتقليل المساحة المشغولة واستهلاك الجهد. ويمكن استخدامه أيضًا في النطاقات الطيفية الأخرى وتصميمات الرنان المختلفة الأخرى. في الوقت الحاضر، يتعاون فريق البحث لإظهار الطيف المرئي LIDAR المكون من صفائف مبدل الطور بناءً على مثل هذه الحلقات الدقيقة. وفي المستقبل، يمكن أيضًا تطبيقه على العديد من التطبيقات مثل اللاخطية البصرية المحسنة، وأشعة الليزر الجديدة، والبصريات الكمومية الجديدة.

مصدر المقال: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA

تقع شركة Beijing Rofea Optoelectronics Co., Ltd. في "وادي السيليكون" في الصين - Beijing Zhongguancun، وهي مؤسسة ذات تقنية عالية مخصصة لخدمة مؤسسات البحث المحلية والأجنبية ومعاهد البحوث والجامعات وموظفي البحث العلمي في المؤسسات. تعمل شركتنا بشكل رئيسي في البحث والتطوير المستقل والتصميم والتصنيع وبيع المنتجات الإلكترونية البصرية، وتوفر حلولًا مبتكرة وخدمات احترافية وشخصية للباحثين العلميين والمهندسين الصناعيين. بعد سنوات من الابتكار المستقل، شكلت سلسلة غنية ومثالية من المنتجات الكهروضوئية، والتي تستخدم على نطاق واسع في الصناعات البلدية والعسكرية والنقل والطاقة الكهربائية والمالية والتعليم والطبية وغيرها من الصناعات.

ونحن نتطلع إلى التعاون معكم!