撰稿 | Philip （香港科技大學， 博士生）

指導 | 虞南方（美國哥倫比亞大學，副教授）

近紅外范圍內的光波在過去幾十年內取代電流，被廣泛用于高速 5G 網絡、芯片上的生物傳感器和無人駕駛汽車等相關應用。這其中涉及的集成光學也正在快速發展，研究人員正在探索更短的可見光波段的集成光學，以尋求更多的新興應用。其中就包括芯片級光檢測和測距 (LiDAR)、增強/虛擬/混合現實 (AR/VR/MR) 護目鏡、全息顯示器、量子信息處理芯片和可植入大腦的光遺傳學探針等領域的應用。

可見光波段的相位調制器便是實現所有這些應用至關重要的一種器件。它可以控制光波的相位，類似于無線電波相位在無線網絡中的調制方式。相位調制器是實現集成光開關的關鍵，而后者可將光引導到不同的波導端口。這些光開關組成的大型網絡可以創建復雜的集成光學系統，從而控制在微型芯片上傳播的光或從芯片發射的光。

圖1：基于熱光效應的Si?N? 相位調制微環諧振器（圖源：Nature Photonics）

然而可見光范圍內的相位調制器卻很難制造，其原因是幾乎所有材料都不能既對于可見光譜足夠透明，又同時能夠提供較大的熱光或光電效應。目前，最合適的兩種可見光波段的集成光學材料是氮化硅（Si?N?）和鈮酸鋰（LN）；兩者在可見光范圍內都高度透明，但可調性都不高。

正因如此，基于這些材料的可見光相位調制器不僅體積大，而且耗電：基于波導的單個調制器的長度從數百微米到幾毫米不等，進行相位調制需要消耗數十毫瓦能量。研究人員試圖實現大規模集成的目標（在單個微型芯片上嵌入數千個器件）也一直因為這些笨重、耗能的器件而受到阻礙。

基于此，來自美國哥倫比亞大學和美國塔夫茨大學的研究人員最近開發了一種基于“強‘過耦合’”（strongly over-coupled）狀態下操作的微環諧振器（MRR），可以將可見光相位調制器的尺寸從 1 毫米大幅減小到 10 微米，用于π相位調制的功耗從數十毫瓦降到低于 1 毫瓦。

該研究以“Robust, efficient, micrometre-scale phase modulators at visible wavelengths”為題在 Nature Photonics發表。

圖2：可見光相位調制器（半徑為 10 微米的中心的環）比蝴蝶翼鱗更小。（圖源：Heqing Huang ， Cheng-Chia Tsai和Nanfang Yu （虞南方）/美國哥倫比亞大學工程學院）

一、如何解決問題

傳統光學相位調制器是基于光在波導中傳播的相位累積。而該團隊所使用的MRR具有高度對稱的結構，可以多次循環光束，且將微小的折射率變化轉化為較大相位調制。MRR可以在幾種不同的狀態下工作。如果在“欠耦合”或“臨界耦合”狀態下工作，諧振器將僅提供有限的相位調制，同時會給光信號帶來強度變化。光強變化也是一種光損耗，而來自每個相位調制器的損耗累積后會使得它們的輸出信號強度不足以達到級聯的目標。

為了實現完整的 2π 相位調制和最小光強變化，該研究團隊選擇在“強‘過耦合’”狀態下操作微環，在這種情況下微環和總線波導之間的耦合強度至少比微環的損耗強 10 倍。而微環損耗主要是由于器件側壁上納米級粗糙度的光學散射。

該團隊開發了幾種策略來將相位調制器成功推入“強‘過耦合’”狀態（耦合強度10倍于微環損耗）。其中最關鍵的是他們采用的寬度漸變的微環諧振器：環在狹窄的頸部和寬腹之間平滑過渡。環的窄頸有利于總線波導和微環之間的光交換，從而增強耦合強度。環的寬腹部減少了光損耗，因為光波僅與微環加寬部分的外側壁相互作用，而不與內側壁相互作用，從而大大減少了側壁粗糙處的光學散射。

圖3：可見光譜相位調制器（半徑為 10 微米的圓環）比牽牛花的一粒花粉小得多。（圖源：Heqing Huang ， Cheng-Chia Tsai和Nanfang Yu （虞南方）/美國哥倫比亞大學工程學院）

二、核心成果

與基于波導的相位調制器相比，微環諧振器在功率和緊湊性方面表現出明顯的優勢。此類器件還有助于解決由材料生長和微加工的精確度引起的相位誤差問題，這是大規模集成光子電路中面臨的普遍挑戰。

2.1 功率和緊湊性

該成果最好的相位調制器工作在藍色和綠色波段，這些短波可見光更容易被材料吸收或散射，因而是可見光譜中最困難的部分。該團隊所實現的藍光和綠光相位調制器半徑只有 5 到 10 微米，π 相位調制僅消耗 0.8 mW 功率，并且引入的光強變化小于 10%。相較于基于波導的相位調制器，他們的器件的尺寸小了兩個數量級而功耗至少小了一個數量級。此工作是首個證明在可見光波長下可實現如此低損耗、緊湊且節能的相位調制器。

這種小而高效的相位調制器也有望實現片上的高度集成。鑒于芯片的面積和功耗限制，以前在可見波長下，只能實現大約 100 個基于波導的相位調制器的集成。而利用此技術，可將集成度提高兩個數量級，即在原則上可在芯片上集成 10,000 個相位調制器，從而實現更復雜的功能。

2.2 制造誤差的頑健性

大規模片上集成面臨的一個重要挑戰是器件性能與設計的偏差。此偏差主要來自兩方面原因：

（1）超凈間制造不可避免地會導致器件幾何形狀發生一定程度的變化（例如，Si?N?薄膜的厚度、波導和微環的寬度等）；

（2）使用過程中芯片的溫度可能不均勻。

對于波導相位調制器，這些偏差會導致相位誤差，而對于微環，則會造成諧振頻率的變化。因此實際上每個相位調制器都必須有自己的加熱偏置來通過熱光效應校正相位誤差，或將微環的諧振頻率與激光光源頻率對齊，這不可避免的需要增加功耗。

而此項工作中微環的加寬部分，使得光波被推向外側壁，與內側壁沒有接觸。也就是說，加寬部分的準確寬度不再重要。這種結構降低了對器件的精確幾何形狀的要求，使得此種微環能夠抵抗器件制造中引入的尺寸誤差。其實驗表明，微環具有穩定諧振頻率的能力：相比于寬度均一的傳統微環，此種微環的調諧所需的加熱功率降低了三倍以上。同時，與波導相位調制器相比，器件尺寸引起的相位誤差也小了幾倍。

三、應用和意義

集成光子學領域的專家，哥倫比亞大學教授Michal Lipson院士評價說道：“我們的工作可以啟發未來人們在各種基于諧振器的設備中利用“強‘過耦合’”效應以增強光與物質的相互作用。例如，用于增強光學非線性、制造新型激光器、實現新型量子光學效應，同時抑制光損耗。”

Michal Lipson和虞南方的實驗室現在正在合作實現基于大型二維微環相位調制器陣列的可見光譜 LiDAR。此項工作所展示的可見光譜熱光器件的設計策略還可應用于電光調制器，以減少其占用空間和驅動電壓，并可適用于其他光譜范圍（例如，紫外線、電信、中紅外和太赫茲）和微環以外的諧振器。

論文信息

Guozheng Liang, Heqing Huang, Aseema Mohanty, Min Chul Shin, Xingchen Ji, Michael Joseph Carter, Sajan Shrestha, Michal Lipson, and Nanfang Yu, Robust, efficient, micrometre-scale phase modulators at visible wavelengths. Nat. Photon. 15, 908–913 (2021).

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

監制 | 趙陽

編輯 | 趙唯

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