打破记录，更紧凑、更节能的相位调制器

撰稿 | Philip （香港科技大学， 博士生）

指导 | 虞南方（美国哥伦比亚大学，副教授）

近红外范围内的光波在过去几十年内取代电流，被广泛用于高速 5G 网络、芯片上的生物传感器和无人驾驶汽车等相关应用。这其中涉及的集成光学也正在快速发展，研究人员正在探索更短的可见光波段的集成光学，以寻求更多的新兴应用。其中就包括芯片级光检测和测距 (LiDAR)、增强/虚拟/混合现实 (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学探针等领域的应用。

可见光波段的相位调制器便是实现所有这些应用至关重要的一种器件。它可以控制光波的相位，类似于无线电波相位在无线网络中的调制方式。相位调制器是实现集成光开关的关键，而后者可将光引导到不同的波导端口。这些光开关组成的大型网络可以创建复杂的集成光学系统，从而控制在微型芯片上传播的光或从芯片发射的光。

图1：基于热光效应的Si₃N₄ 相位调制微环谐振器（图源：Nature Photonics）

然而可见光范围内的相位调制器却很难制造，其原因是几乎所有材料都不能既对于可见光谱足够透明，又同时能够提供较大的热光或光电效应。目前，最合适的两种可见光波段的集成光学材料是氮化硅（Si₃N₄）和铌酸锂（LN）；两者在可见光范围内都高度透明，但可调性都不高。

正因如此，基于这些材料的可见光相位调制器不仅体积大，而且耗电：基于波导的单个调制器的长度从数百微米到几毫米不等，进行相位调制需要消耗数十毫瓦能量。研究人员试图实现大规模集成的目标（在单个微型芯片上嵌入数千个器件）也一直因为这些笨重、耗能的器件而受到阻碍。

基于此，来自美国哥伦比亚大学和美国塔夫茨大学的研究人员最近开发了一种基于“强‘过耦合’”（strongly over-coupled）状态下操作的微环谐振器（MRR），可以将可见光相位调制器的尺寸从 1 毫米大幅减小到 10 微米，用于π相位调制的功耗从数十毫瓦降到低于 1 毫瓦。

该研究以“Robust, efficient, micrometre-scale phase modulators at visible wavelengths”为题在 Nature Photonics发表。

图2：可见光相位调制器（半径为 10 微米的中心的环）比蝴蝶翼鳞更小。（图源：Heqing Huang ， Cheng-Chia Tsai和Nanfang Yu （虞南方）/美国哥伦比亚大学工程学院）

一、如何解决问题

传统光学相位调制器是基于光在波导中传播的相位累积。而该团队所使用的MRR具有高度对称的结构，可以多次循环光束，且将微小的折射率变化转化为较大相位调制。MRR可以在几种不同的状态下工作。如果在“欠耦合”或“临界耦合”状态下工作，谐振器将仅提供有限的相位调制，同时会给光信号带来强度变化。光强变化也是一种光损耗，而来自每个相位调制器的损耗累积后会使得它们的输出信号强度不足以达到级联的目标。

为了实现完整的 2π 相位调制和最小光强变化，该研究团队选择在“强‘过耦合’”状态下操作微环，在这种情况下微环和总线波导之间的耦合强度至少比微环的损耗强 10 倍。而微环损耗主要是由于器件侧壁上纳米级粗糙度的光学散射。

该团队开发了几种策略来将相位调制器成功推入“强‘过耦合’”状态（耦合强度10倍于微环损耗）。其中最关键的是他们采用的宽度渐变的微环谐振器：环在狭窄的颈部和宽腹之间平滑过渡。环的窄颈有利于总线波导和微环之间的光交换，从而增强耦合强度。环的宽腹部减少了光损耗，因为光波仅与微环加宽部分的外侧壁相互作用，而不与内侧壁相互作用，从而大大减少了侧壁粗糙处的光学散射。

图3：可见光谱相位调制器（半径为 10 微米的圆环）比牵牛花的一粒花粉小得多。（图源：Heqing Huang ， Cheng-Chia Tsai和Nanfang Yu （虞南方）/美国哥伦比亚大学工程学院）

二、核心成果

与基于波导的相位调制器相比，微环谐振器在功率和紧凑性方面表现出明显的优势。此类器件还有助于解决由材料生长和微加工的精确度引起的相位误差问题，这是大规模集成光子电路中面临的普遍挑战。

2.1 功率和紧凑性

该成果最好的相位调制器工作在蓝色和绿色波段，这些短波可见光更容易被材料吸收或散射，因而是可见光谱中最困难的部分。该团队所实现的蓝光和绿光相位调制器半径只有 5 到 10 微米，π 相位调制仅消耗 0.8 mW 功率，并且引入的光强变化小于 10%。相较于基于波导的相位调制器，他们的器件的尺寸小了两个数量级而功耗至少小了一个数量级。此工作是首个证明在可见光波长下可实现如此低损耗、紧凑且节能的相位调制器。

这种小而高效的相位调制器也有望实现片上的高度集成。鉴于芯片的面积和功耗限制，以前在可见波长下，只能实现大约 100 个基于波导的相位调制器的集成。而利用此技术，可将集成度提高两个数量级，即在原则上可在芯片上集成 10,000 个相位调制器，从而实现更复杂的功能。

2.2 制造误差的顽健性

大规模片上集成面临的一个重要挑战是器件性能与设计的偏差。此偏差主要来自两方面原因：

（1）超净间制造不可避免地会导致器件几何形状发生一定程度的变化（例如，Si₃N₄薄膜的厚度、波导和微环的宽度等）；

（2）使用过程中芯片的温度可能不均匀。

对于波导相位调制器，这些偏差会导致相位误差，而对于微环，则会造成谐振频率的变化。因此实际上每个相位调制器都必须有自己的加热偏置来通过热光效应校正相位误差，或将微环的谐振频率与激光光源频率对齐，这不可避免的需要增加功耗。

而此项工作中微环的加宽部分，使得光波被推向外侧壁，与内侧壁没有接触。也就是说，加宽部分的准确宽度不再重要。这种结构降低了对器件的精确几何形状的要求，使得此种微环能够抵抗器件制造中引入的尺寸误差。其实验表明，微环具有稳定谐振频率的能力：相比于宽度均一的传统微环，此种微环的调谐所需的加热功率降低了三倍以上。同时，与波导相位调制器相比，器件尺寸引起的相位误差也小了几倍。

三、应用和意义

集成光子学领域的专家，哥伦比亚大学教授Michal Lipson院士评价说道：“我们的工作可以启发未来人们在各种基于谐振器的设备中利用“强‘过耦合’”效应以增强光与物质的相互作用。例如，用于增强光学非线性、制造新型激光器、实现新型量子光学效应，同时抑制光损耗。”

Michal Lipson和虞南方的实验室现在正在合作实现基于大型二维微环相位调制器阵列的可见光谱 LiDAR。此项工作所展示的可见光谱热光器件的设计策略还可应用于电光调制器，以减少其占用空间和驱动电压，并可适用于其他光谱范围（例如，紫外线、电信、中红外和太赫兹）和微环以外的谐振器。

论文信息

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

监制 | 赵阳

编辑 | 赵唯

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