최근 몇 년 동안 여러 국가의 연구자들은 집적 광자학을 이용하여 적외선 파장의 조작을 성공적으로 구현하고 이를 고속 5G 네트워크, 칩 센서, 자율주행차에 적용해 왔습니다. 현재 이러한 연구 방향이 지속적으로 심화됨에 따라 연구자들은 더 짧은 가시광선 대역의 심층 감지를 수행하고 칩 레벨 LIDAR, AR/VR/MR(향상/가상/하이브리드) 현실 안경, 홀로그램 디스플레이, 양자 처리 칩, 뇌에 이식된 광유전학 프로브 등과 같은 더욱 광범위한 응용 분야를 개발하기 시작했습니다.
광 위상 변조기의 대규모 집적은 온칩 광 라우팅 및 자유공간 파면 형성을 위한 광 서브시스템의 핵심입니다. 이 두 가지 주요 기능은 다양한 응용 분야의 구현에 필수적입니다. 그러나 가시광선 영역의 광 위상 변조기의 경우, 높은 투과율과 높은 변조도라는 두 가지 요건을 동시에 충족하는 것은 특히 어렵습니다. 이러한 요건을 충족하기 위해서는 가장 적합한 질화규소와 니오브산리튬 소재조차도 부피와 전력 소비를 증가시켜야 합니다.
이 문제를 해결하기 위해 컬럼비아 대학교의 미칼 립슨(Michal Lipson)과 난팡 유(Nanfang Yu)는 단열 마이크로링 공진기를 기반으로 질화규소 열광학 위상 변조기를 설계했습니다. 그들은 마이크로링 공진기가 강한 결합 상태에서 작동함을 증명했습니다. 이 장치는 최소한의 손실로 위상 변조를 달성할 수 있습니다. 일반적인 도파관 위상 변조기와 비교했을 때, 이 장치는 공간과 전력 소비를 최소 10배 이상 줄였습니다. 관련 내용은 Nature Photonics에 게재되었습니다.
질화규소 기반 집적 광자학 분야의 선도적 전문가인 미칼 립슨은 "제안된 솔루션의 핵심은 광 공진기를 사용하고 강력한 결합 상태에서 작동하는 것입니다."라고 말했습니다.
광 공진기는 고도로 대칭적인 구조로, 여러 주기의 광선을 통해 작은 굴절률 변화를 위상 변화로 변환할 수 있습니다. 일반적으로 "저결합"과 "저결합", "임계결합"과 "강결합"의 세 가지 작동 상태로 나눌 수 있습니다. 이 중 "저결합"은 제한된 위상 변조만 제공하고 불필요한 진폭 변화를 유발하며, "임계결합"은 상당한 광 손실을 유발하여 소자의 실제 성능에 영향을 미칩니다.
연구팀은 완전한 2π 위상 변조와 최소한의 진폭 변화를 달성하기 위해 마이크로링을 "강한 결합" 상태로 조작했습니다. 마이크로링과 "버스" 사이의 결합 강도는 마이크로링 손실보다 최소 10배 높습니다. 일련의 설계와 최적화를 거쳐 최종 구조가 아래 그림에 나와 있습니다. 이는 테이퍼형 폭을 가진 공진 링입니다. 좁은 도파관 부분은 "버스"와 마이크로 코일 사이의 광 결합 강도를 향상시킵니다. 넓은 도파관 부분은 측벽의 광 산란을 줄여 마이크로링의 광 손실을 줄입니다.
논문의 제1저자인 허칭 황(Heqing Huang)은 다음과 같이 말했습니다. "반경이 5μm에 불과하고 π-위상 변조 전력 소비량이 0.8mW에 불과한 소형, 에너지 절약형, 초저손실 가시광선 위상 변조기를 설계했습니다. 도입된 진폭 변화는 10% 미만입니다. 더욱 드문 것은 이 변조기가 가시광선 스펙트럼에서 가장 측정하기 어려운 청색 및 녹색 대역에서도 동일한 효과를 보인다는 것입니다."
난팡 유(Nanfang Yu)는 비록 전자 제품의 집적 수준에는 아직 미치지 못하지만, 그들의 연구는 광자 스위치와 전자 스위치 간의 격차를 획기적으로 줄였다고 지적했습니다. "기존 변조기 기술은 특정 칩 면적과 전력 예산을 고려하여 도파관 위상 변조기를 100개만 집적할 수 있었지만, 이제는 동일한 칩에 위상 천이기 10,000개를 집적하여 더욱 복잡한 기능을 구현할 수 있습니다."
간단히 말해, 이 설계 방법은 전기광학 변조기에 적용하여 점유 공간과 전압 소비를 줄일 수 있습니다. 또한 다른 스펙트럼 범위 및 다양한 공진기 설계에도 사용할 수 있습니다. 현재 연구팀은 이러한 마이크로링을 기반으로 하는 위상 천이기 어레이로 구성된 가시광선 스펙트럼 LIDAR를 시연하기 위해 협력하고 있습니다. 향후 향상된 광학 비선형성, 새로운 레이저, 새로운 양자 광학 등 다양한 응용 분야에도 적용될 수 있습니다.
기사 출처: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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게시 시간: 2023년 3월 29일