최근 몇 년 동안 여러 국가의 연구원들은 집적 광자 기술을 활용하여 적외선 파장 조작을 성공적으로 구현하고 이를 고속 5G 네트워크, 칩 센서, 자율주행 차량 등에 적용해 왔습니다. 현재 이 연구 분야가 심화됨에 따라 연구원들은 가시광선 대역의 심층적인 검출을 시작하고 있으며, 칩 레벨 LIDAR, AR/VR/MR(증강/가상/하이브리드) 현실 안경, 홀로그램 디스플레이, 양자 처리 칩, 뇌에 이식하는 광유전학적 프로브 등과 같은 더욱 광범위한 응용 분야를 개발하고 있습니다.
광 위상 변조기의 대규모 집적화는 온칩 광 라우팅 및 자유 공간 파면 형성을 위한 광 서브시스템의 핵심입니다. 이 두 가지 주요 기능은 다양한 응용 분야 구현에 필수적입니다. 그러나 가시광선 영역의 광 위상 변조기의 경우, 높은 투과율과 높은 변조율을 동시에 충족하는 것이 특히 어렵습니다. 이러한 요구 사항을 충족하기 위해서는 가장 적합한 질화규소 및 니오브산리튬 소재를 사용하더라도 부피와 전력 소비가 증가할 수밖에 없습니다.
이 문제를 해결하기 위해 컬럼비아 대학교의 미칼 립슨과 난팡 유는 단열 마이크로링 공진기를 기반으로 하는 질화규소 열광학 위상 변조기를 설계했습니다. 그들은 마이크로링 공진기가 강한 결합 상태에서 작동함을 입증했습니다. 이 장치는 최소한의 손실로 위상 변조를 구현할 수 있습니다. 일반적인 도파관 위상 변조기와 비교했을 때, 이 장치는 공간과 전력 소비 측면에서 최소 10분의 1 이상의 절감 효과를 보입니다. 관련 내용은 Nature Photonics에 게재되었습니다.
실리콘 질화물 기반 집적 광자 분야의 저명한 전문가인 미할 립슨은 "우리가 제안하는 솔루션의 핵심은 광 공진기를 사용하고 소위 강결합 상태에서 작동시키는 것입니다."라고 말했습니다.
광학 공진기는 대칭성이 매우 높은 구조로, 작은 굴절률 변화를 여러 번의 광선 통과를 통해 위상 변화로 변환할 수 있습니다. 일반적으로 광학 공진기는 "저결합", "임계 결합", "강결합"의 세 가지 동작 상태로 나눌 수 있습니다. 이 중 "저결합"은 제한적인 위상 변조만 제공하고 불필요한 진폭 변화를 유발하며, "임계 결합"은 상당한 광 손실을 초래하여 장치의 실제 성능에 영향을 미칩니다.
완전한 2π 위상 변조와 최소한의 진폭 변화를 달성하기 위해 연구팀은 마이크로링을 "강한 결합" 상태로 조작했습니다. 마이크로링과 "버스" 사이의 결합 강도는 마이크로링의 손실보다 최소 10배 이상 높습니다. 일련의 설계 및 최적화 과정을 거쳐 최종 구조는 아래 그림과 같습니다. 이는 폭이 점차 좁아지는 공진 링입니다. 좁은 도파관 부분은 "버스"와 마이크로 코일 사이의 광학적 결합 강도를 향상시키고, 넓은 도파관 부분은 측벽의 광산란을 줄여 마이크로링의 광 손실을 감소시킵니다.
논문의 제1 저자인 허칭 황은 또한 다음과 같이 말했습니다. "우리는 반경이 5μm에 불과하고 π 위상 변조에 필요한 전력 소모가 0.8mW에 그치는 초소형, 에너지 절약형, 손실이 극히 적은 가시광선 위상 변조기를 설계했습니다. 진폭 변동은 10% 미만입니다. 더욱 놀라운 점은 이 변조기가 가시광선 스펙트럼에서 가장 까다로운 청색 및 녹색 대역에서도 동일하게 효과적이라는 것입니다."
난팡 위는 또한 전자 제품의 집적화 수준에는 아직 미치지 못하지만, 자신들의 연구가 광자 스위치와 전자 스위치 간의 격차를 획기적으로 줄였다고 지적했습니다. "기존의 변조기 기술로는 특정 칩 크기와 전력 예산 내에서 100개의 도파관 위상 변조기만 집적할 수 있었지만, 이제는 동일한 칩에 1만 개의 위상 변환기를 집적하여 더욱 복잡한 기능을 구현할 수 있습니다."
요약하자면, 이 설계 방법은 전기광학 변조기의 공간 차지율과 전압 소모를 줄이는 데 적용될 수 있습니다. 또한 다른 스펙트럼 영역 및 다양한 공진기 설계에도 활용 가능합니다. 현재 연구팀은 이러한 마이크로링을 기반으로 하는 위상 시프터 어레이로 구성된 가시광선 스펙트럼 LIDAR를 구현하기 위해 협력하고 있습니다. 향후 이 방법은 광학적 비선형성 향상, 새로운 레이저, 새로운 양자 광학 등 다양한 분야에 적용될 수 있을 것입니다.
기사 출처: https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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게시 시간: 2023년 3월 29일