최근 몇 년 동안 여러 나라의 연구자들은 통합 포토닉스를 사용하여 적외선 광파 조작을 성공적으로 구현하고 이를 고속 5G 네트워크, 칩 센서 및 자율주행차에 적용했습니다.현재 이 연구 방향이 지속적으로 심화됨에 따라 연구자들은 더 짧은 가시 광선 대역에 대한 심층적인 감지를 수행하고 칩 수준 LIDAR, AR/VR/MR(향상된/가상/ 하이브리드) 현실) 안경, 홀로그램 디스플레이, 양자 처리 칩, 뇌에 이식된 광유전학 프로브 등
광 위상 변조기의 대규모 통합은 온칩 광 라우팅 및 자유 공간 파면 형성을 위한 광 하위 시스템의 핵심입니다.이 두 가지 주요 기능은 다양한 애플리케이션을 구현하는 데 필수적입니다.그러나 가시광선 범위의 광학 위상 변조기의 경우 높은 투과율과 높은 변조 요구 사항을 동시에 충족하는 것이 특히 어렵습니다.이러한 요구 사항을 충족하려면 가장 적합한 질화 규소 및 니오브산 리튬 소재라도 부피와 전력 소비를 늘려야 합니다.
이 문제를 해결하기 위해 컬럼비아 대학교의 Michal Lipson과 Nanfang Yu는 단열 마이크로 링 공진기를 기반으로 하는 질화규소 열광학 위상 변조기를 설계했습니다.그들은 마이크로 링 공진기가 강한 결합 상태에서 작동한다는 것을 증명했습니다.이 장치는 손실을 최소화하면서 위상 변조를 달성할 수 있습니다.일반적인 도파관 위상 변조기와 비교하여 이 장치는 공간과 전력 소비가 최소한 10배 감소합니다.관련 내용이 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 게재되었습니다.
질화규소 기반 통합 포토닉스 분야의 선도적인 전문가인 Michal Lipson은 “우리가 제안한 솔루션의 핵심은 광학 공진기를 사용하고 소위 강한 결합 상태에서 작동하는 것”이라고 말했습니다.
광학 공진기는 고도로 대칭적인 구조로, 여러 주기의 광선을 통해 작은 굴절률 변화를 위상 변화로 변환할 수 있습니다.일반적으로 "커플링 중"과 "커플링 중"의 세 가지 작동 상태로 나눌 수 있습니다.중요한 결합'과 '강한 결합'이 있습니다.그 중 "Under Coupling"은 제한된 위상 변조만 제공할 수 있어 불필요한 진폭 변화가 발생하며, "Critical Coupling"은 상당한 광 손실을 유발하여 장치의 실제 성능에 영향을 미칩니다.
완전한 2π 위상 변조와 최소한의 진폭 변화를 달성하기 위해 연구팀은 "강한 결합" 상태에서 마이크로링을 조작했습니다.마이크로링과 "버스" 사이의 결합 강도는 마이크로링의 손실보다 최소 10배 더 높습니다.일련의 설계와 최적화를 거친 후 최종 구조는 아래 그림과 같습니다.이것은 폭이 점점 가늘어지는 공진 링입니다.좁은 도파관 부분은 "버스"와 마이크로 코일 사이의 광학 결합 강도를 향상시킵니다.넓은 도파관 부분 측벽의 광학 산란을 줄여 마이크로링의 광 손실을 줄입니다.
논문의 제1저자인 황헤칭(Heqing Huang)은 “우리는 반경이 5μm에 불과하고 π-위상 변조 전력 소모가 0.8mW.도입된 진폭 변화는 10% 미만입니다.더욱 희귀한 점은 이 변조기가 가시광선 스펙트럼에서 가장 어려운 청색 및 녹색 대역에 동일하게 효과적이라는 것입니다.”
Nanfang Yu는 또한 전자 제품의 통합 수준에 도달하기는 아직 멀었지만 그들의 작업으로 광 스위치와 전자 스위치 간의 격차가 극적으로 줄어들었다고 지적했습니다."이전 변조기 기술이 특정 칩 설치 공간과 전력 예산을 고려하여 100개의 도파관 위상 변조기의 통합만 허용했다면 이제 동일한 칩에 10,000개의 위상 시프터를 통합하여 더 복잡한 기능을 달성할 수 있습니다."
즉, 이 설계 방법은 전기 광학 변조기에 적용되어 점유 공간과 전압 소비를 줄일 수 있습니다.또한 다른 스펙트럼 범위와 다른 공진기 설계에도 사용할 수 있습니다.현재 연구팀은 이러한 마이크로링을 기반으로 한 위상 천이기 배열로 구성된 가시 스펙트럼 LIDAR을 시연하기 위해 협력하고 있습니다.앞으로는 향상된 광학 비선형성, 새로운 레이저, 새로운 양자 광학과 같은 다양한 응용 분야에도 적용될 수 있습니다.
기사 출처:https://mp.weixin.qq.com/s/O6iHstkMBPQKDOV4CoukXA
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게시 시간: 2023년 3월 29일