一种新型可见光调制器：损耗低、占地小、功耗低

过去的几十年的时间里，研究人员将目光从操纵电流转向了控制近红外范围的光波进行远程通讯，将其用于高速的5G通信、芯片生物传感器以及无人驾驶汽车等电信应用中。这一被称为集成光子学的研究领域正在迅速兴起，如今研究人员正探索着更短的可见波应用前景，并将其用于诸如芯片的激光雷达（用于激光探测和测距）、AR/VR/MR（增强/虚拟/混合现实）眼镜、全息显示、量子信息处理芯片以及植入大脑的光遗传学工具等各种各样的应用中。

可见光应用的关键在于一个调控光波相位的光学相位调制器，其原理类似于无线计算机网络中无线电波的相位调制。借助相位调制器，研究人员可以搭建一个片上光开关，将光导入不同的波导端口。有了这些光开关组成的网络，研究人员可以创建复杂的集成光学系统，控制光在微芯片上的传播或芯片上的光发射。

但是，用于可见光范围的相位调制器制造非常困难：在可见光光谱范围中，没有一种材料既足够透光、又能通过热光或电光效应提供大的可调谐范围。迄今为止人们所发现的最合适的两种材料是氮化硅和铌酸锂，虽然这两种材料在可见范围内都是高度透明的，但是调谐性都较低。因此，这两种材料制成的可见光谱相位调制器不仅体积巨大，而且功耗也很高：单个基于波导的调制器的尺寸在几百微米到几毫米之间，每个相位调谐的能耗在数十毫瓦左右。这种笨重、高能耗的设备，阻碍了研究人员进行进一步的芯片集成。

近日，哥伦比亚大学工程学院的研究人员宣布，他们已经成功解决了这一问题。他们发明了一种基于微型环形谐振腔的方法，大大降低了可见光谱相位调制器的尺寸和功耗，将其尺寸从1毫米降低到了10微米，调谐π相位的能耗从数十毫瓦降至低于1毫瓦。此项研究于11月22日发表在Nature Photonics上。

图1 比蝴蝶翅膀更小的可见光相位调制器（图中心半径为10微米的圆环）

“通常大家会认为某件东西越大越好，但是集成设备却恰好相反。”应用物理学副教授、团队的联合首席研究员Nanfang Yu说，他同时也是一名纳米光子学专家。“将光线限制在一个点上，并在不损耗其能量的情况下对其进行控制，非常难。很高兴我们能在这项工作中取得突破，这将极大地拓宽大规模可见光谱集成光子学的前景。”

工作在可见光波段的传统光学相位调制器的原理是基于光在波导中的传播。Yu与其同事Michal Lipson合作开发了一种不同寻常的方法；Lipson是基于氮化硅的集成光子学的领军专家。

“我们解决方案的关键是使用一个工作在所谓的强过耦合区域中的光学谐振器。”Lipson说，他是该团队的共同首席研究员，也是电气工程系的Eugene Higgins教授和应用物理学教授。

光学谐振腔是一种具有高度对称性的结构（比如圆环结构），它能够将一束光循环多次，并将微小的折射率改变转化为大的相位变化。谐振腔可以在几种不同的条件下工作，在使用中需要尤其注意。例如，如果在“欠耦合”或“临界耦合”状态下工作，谐振腔将只能提供有限的相位调制，并且还会在光信号中引入很大的振幅变化。后者是一种应极力避免出现的光损耗，因为即使是单个相位调制器出现轻微的损耗，累积相加之后，也将使得链路无法级联输出大信号。

为了实现完整的2π相位调谐，同时引入最小的振幅变化，Yu-Lipson团队选择在“强过耦合”状态下运行微环形谐振腔。在这一状态下，将光线从“总线”光波导输入到微环形谐振腔的耦合作用，比微环形谐振腔中的损耗要高至少10倍。“微环形谐振腔中的损耗主要在于设备侧壁纳米级粗糙的光学散射。”Lipson解释说，“要知道，人们永远不可能制造出表面绝对光滑的光子器件。”

该团队采用了几种使设备进入强过耦合状态的策略。其中最关键的是他们所发明的绝热微环几何结构，这一结构下，环形平稳地在窄颈和相反方向的宽腹之间过渡。微环谐振腔的窄颈有利于总线波导与微环之间的光交换，从而增强耦合强度；由于导光只与绝热微环加宽部分的外侧壁而非内侧壁相互作用，因此环的宽腹减少了光在侧壁粗糙度处的散射，从而减少了光的损失。

正文在对并排制作于同一芯片上的绝热微环和均匀宽度的传统微环的对比研究中，研究小组发现传统微环无法满足强过耦合条件——其光学损耗非常严重，而63%的绝热微环仍在强过耦合状态下工作。

“我们表现最好的相位调节器工作于蓝光和绿光下，这几乎是可见光谱最难以解决的部分；相位调节器半径仅为5微米，调制π相位消耗功率0.8 毫瓦，引入的振幅变化小于10%。” Heqing Huang说，他是Yu教授实验室的研究生，同时也是论文的第一作者。“此前没有任何一项工作能够在可见波段上实现如此小型、高能效和低损耗的相位调制器。”

该设备在Yu教授的实验室中设计，并在哥伦比亚Nano Initiative洁净室、纽约城市大学研究生院的高级科学研究中心的纳米制造设施和康奈尔大学纳米科学与技术学院的设施中制造的。器件表征在Lipson和Yu的实验室进行。

研究人员指出，尽管他们还未达到电子集成的程度，但此项工作进一步使得类似于电开关的光开关成为可能。Yu说：“如果说在给定的面积和功率下，以前的技术只能集成100个波导相位调制器，如今我们的技术要比之前好100倍，能实现在芯片上集成10,000个相位调制器，实现更复杂的功能。”

图2 可见光谱相位调制器（图中心半径为10微米中心的圆环）比花粉颗粒更小

Lipson和Yu实验室现在正致力于合作实现由基于绝热微环的大型二维相位调制器阵列组成的可见光谱激光雷达。其可见光谱范围内热光器件的设计策略可同样应用于电光调制器，以减少其能耗和驱动电压，并将光谱范围拓宽至紫外、电信、中红外和太赫兹等波段，同时引入除微环形谐振腔之外的其他谐振腔设计。

“总之，我们的工作可以鼓舞人心，激励人们将强过耦合的应用拓宽至各类基于谐振腔的设备中，增强光物质的相互作用。比如在降低光学损耗的同时增强光学非线性，制造新的激光器，观察新的量子光学效应等。” Lipson说。

文章见：Guozhen Liang et al, Robust, efficient, micrometre-scale phase modulators at visible wavelengths, Nature Photonics (2021). DOI: 10.1038/s41566-021-00891-y。