सबसे कम शक्ति वाला सबसे छोटा दृश्यमान प्रकाश चरण मॉड्युलेटर पैदा हुआ

हाल के वर्षों में, विभिन्न देशों के शोधकर्ताओं ने एकीकृत फोटोनिक्स का उपयोग करके अवरक्त प्रकाश तरंगों के हेरफेर को क्रमिक रूप से साकार किया है और उन्हें उच्च गति वाले 5G नेटवर्क, चिप सेंसर और स्वायत्त वाहनों में लागू किया है। वर्तमान में, इस शोध दिशा के निरंतर गहन होने के साथ, शोधकर्ताओं ने छोटे दृश्यमान प्रकाश बैंडों का गहन पता लगाना और अधिक व्यापक अनुप्रयोगों का विकास करना शुरू कर दिया है, जैसे कि चिप-स्तरीय LIDAR, AR/VR/MR (उन्नत/आभासी/हाइब्रिड) वास्तविकता) चश्मा, होलोग्राफिक डिस्प्ले, क्वांटम प्रोसेसिंग चिप्स, मस्तिष्क में प्रत्यारोपित ऑप्टोजेनेटिक जांच, आदि।

ऑप्टिकल फेज़ मॉड्यूलेटर का बड़े पैमाने पर एकीकरण, ऑन-चिप ऑप्टिकल रूटिंग और फ्री-स्पेस वेवफ्रंट शेपिंग के लिए ऑप्टिकल सबसिस्टम का मूल है। ये दो प्राथमिक कार्य विभिन्न अनुप्रयोगों की प्राप्ति के लिए आवश्यक हैं। हालाँकि, दृश्य प्रकाश श्रेणी में ऑप्टिकल फेज़ मॉड्यूलेटर के लिए, एक ही समय में उच्च संप्रेषण और उच्च मॉडुलन की आवश्यकताओं को पूरा करना विशेष रूप से चुनौतीपूर्ण है। इस आवश्यकता को पूरा करने के लिए, सबसे उपयुक्त सिलिकॉन नाइट्राइड और लिथियम नियोबेट पदार्थों को भी आयतन और विद्युत खपत बढ़ाने की आवश्यकता होती है।

इस समस्या के समाधान के लिए, कोलंबिया विश्वविद्यालय के मिशल लिप्सन और नानफैंग यू ने एडियाबेटिक माइक्रो-रिंग रेज़ोनेटर पर आधारित एक सिलिकॉन नाइट्राइड थर्मो-ऑप्टिक फेज़ मॉड्यूलेटर डिज़ाइन किया। उन्होंने सिद्ध किया कि माइक्रो-रिंग रेज़ोनेटर एक प्रबल युग्मन अवस्था में कार्य करता है। यह उपकरण न्यूनतम हानि के साथ फेज़ मॉड्यूलेशन प्राप्त कर सकता है। साधारण वेवगाइड फेज़ मॉड्यूलेटर की तुलना में, इस उपकरण में स्थान और ऊर्जा खपत में कम से कम एक क्रम के परिमाण की कमी होती है। संबंधित सामग्री नेचर फोटोनिक्स में प्रकाशित हुई है।

सिलिकॉन नाइट्राइड पर आधारित एकीकृत फोटोनिक्स के क्षेत्र में अग्रणी विशेषज्ञ माइकल लिप्सन ने कहा: "हमारे प्रस्तावित समाधान की कुंजी एक ऑप्टिकल रेज़ोनेटर का उपयोग करना और तथाकथित मजबूत युग्मन अवस्था में काम करना है।"

प्रकाशिक अनुनादक एक अत्यधिक सममित संरचना है, जो प्रकाश पुंजों के कई चक्रों के माध्यम से एक छोटे अपवर्तनांक परिवर्तन को कला परिवर्तन में परिवर्तित कर सकता है। सामान्यतः, इसे तीन अलग-अलग कार्यशील अवस्थाओं में विभाजित किया जा सकता है: "अंडर कपलिंग" और "अंडर कपलिंग"। क्रिटिकल कपलिंग" और "स्ट्रॉन्ग कपलिंग"। इनमें से, "अंडर कपलिंग" केवल सीमित कला मॉडुलन प्रदान कर सकता है और अनावश्यक आयाम परिवर्तन लाएगा, जबकि "क्रिटिकल कपलिंग" से पर्याप्त प्रकाशिक हानि होगी, जिससे उपकरण का वास्तविक प्रदर्शन प्रभावित होगा।

पूर्ण 2π चरण मॉडुलन और न्यूनतम आयाम परिवर्तन प्राप्त करने के लिए, अनुसंधान दल ने माइक्रोरिंग को "प्रबल युग्मन" अवस्था में संचालित किया। माइक्रोरिंग और "बस" के बीच युग्मन शक्ति माइक्रोरिंग की हानि से कम से कम दस गुना अधिक है। कई डिज़ाइनों और अनुकूलन के बाद, अंतिम संरचना नीचे दिए गए चित्र में दिखाई गई है। यह एक पतला चौड़ाई वाला अनुनाद वलय है। संकीर्ण वेवगाइड भाग "बस" और माइक्रो-कॉइल के बीच प्रकाशिक युग्मन शक्ति में सुधार करता है। चौड़ा वेवगाइड भाग साइडवॉल के प्रकाशिक प्रकीर्णन को कम करके माइक्रोरिंग की प्रकाश हानि को कम करता है।

इस शोधपत्र के प्रथम लेखक, हेकिंग हुआंग ने यह भी कहा: "हमने एक लघु, ऊर्जा-बचत करने वाला, और अत्यंत कम क्षति वाला दृश्य प्रकाश कला मॉड्युलेटर डिज़ाइन किया है जिसकी त्रिज्या केवल 5 μm है और π-कला मॉडुलन ऊर्जा खपत केवल 0.8 mW है। इसमें शामिल आयाम परिवर्तन 10% से भी कम है। और भी दुर्लभ बात यह है कि यह मॉड्युलेटर दृश्य स्पेक्ट्रम के सबसे कठिन नीले और हरे बैंडों के लिए भी समान रूप से प्रभावी है।"

नानफैंग यू ने यह भी बताया कि हालाँकि वे इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों के एकीकरण के स्तर तक पहुँचने से बहुत दूर हैं, फिर भी उनके काम ने फोटोनिक स्विच और इलेक्ट्रॉनिक स्विच के बीच के अंतर को नाटकीय रूप से कम कर दिया है। "अगर पिछली मॉड्यूलेटर तकनीक एक निश्चित चिप फ़ुटप्रिंट और पावर बजट के साथ केवल 100 वेवगाइड फ़ेज़ मॉड्यूलेटर के एकीकरण की अनुमति देती थी, तो अब हम एक ही चिप पर 10,000 फ़ेज़ शिफ्टर्स को एकीकृत करके अधिक जटिल कार्य प्राप्त कर सकते हैं।"

संक्षेप में, इस डिज़ाइन विधि का उपयोग इलेक्ट्रो-ऑप्टिक मॉड्यूलेटर पर किया जा सकता है ताकि अधिभोग स्थान और वोल्टेज खपत को कम किया जा सके। इसका उपयोग अन्य स्पेक्ट्रमी श्रेणियों और अन्य विभिन्न अनुनाद डिज़ाइनों में भी किया जा सकता है। वर्तमान में, शोध दल ऐसे माइक्रोरिंग पर आधारित फेज़ शिफ्टर सरणियों से निर्मित दृश्यमान स्पेक्ट्रम LIDAR का प्रदर्शन करने के लिए सहयोग कर रहा है। भविष्य में, इसे उन्नत प्रकाशीय अरैखिकता, नए लेज़रों और नए क्वांटम प्रकाशिकी जैसे कई अनुप्रयोगों में भी लागू किया जा सकता है।

लेख स्रोत:https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA

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