최소 설치 공간과 최저 전력 소비로 가시광선을 변조하는 새로운 장치

지난 수십 년 동안 연구원들은 고속 5G 네트워크, 칩의 바이오센서, 무인 자동차와 같은 통신 애플리케이션을 위해 전류를 사용하는 것에서 근적외선 범위의 광파를 조작하는 것으로 옮겨왔습니다. 통합 광자학으로 알려진 이 연구 영역은 빠르게 발전하고 있으며 연구자들은 이제 더 짧은(가시) 파장 범위를 탐색하여 다양한 새로운 응용 프로그램을 개발하고 있습니다. 여기에는 칩 규모의 광 검출 및 거리 측정(LiDAR), 증강/가상/혼합 현실(AR/VR/MR) 고글, 홀로그램 디스플레이, 양자 정보 처리 칩, 뇌에 이식 가능한 광유전학 프로브가 포함됩니다.

가시 범위에서 이러한 모든 응용 분야에 중요한 한 가지 장치는 무선 컴퓨터 네트워크에서 전파의 위상이 변조되는 방식과 유사한 광파의 위상을 제어하는 ​​광학 위상 변조기입니다. 위상 변조기를 사용하여 연구원들은 빛을 다른 도파관 포트로 보내는 온칩 광 스위치를 구축할 수 있습니다. 이러한 광 스위치의 대규모 네트워크를 통해 연구자들은 작은 칩에서 전파되는 빛을 제어할 수 있는 정교한 통합 광학 시스템을 만들 수 있습니다.

그러나 가시광선 범위의 위상 변조기는 만들기가 매우 어렵습니다. 가시광선 스펙트럼에서 충분히 투명하면서도 열광학 또는 전기광학 효과를 통해 큰 조정성을 제공하는 재료가 없습니다. 현재 가장 적합한 두 재료는 질화규소와 니오브산리튬입니다.

둘 다 가시 범위에서 매우 투명하지만 어느 쪽도 그다지 조정 가능성을 제공하지 않습니다. 따라서 이러한 재료를 기반으로 하는 가시 스펙트럼 위상 변조기는 크기가 클 뿐만 아니라 전력을 많이 소모합니다. 개별 도파관 기반 변조기의 길이는 수백 미크론에서 수 밀리미터에 이르며 단일 변조기는 위상 조정에 수십 밀리와트를 소비합니다. 단일 마이크로칩에 수천 개의 장치를 내장하는 대규모 통합을 달성하려는 연구원들은 지금까지 이러한 부피가 크고 에너지를 소비하는 장치 때문에 방해를 받았습니다.

Columbia Engineering의 연구원들은 이 문제에 대한 해결책을 찾았습니다. 그들은 마이크로 링 공진기를 기반으로 가시 스펙트럼 위상 변조기의 크기와 전력 소비를 1밀리미터에서 10미크론으로 크게 줄이는 방법을 개발했습니다. 1밀리와트 미만으로 π 위상 튜닝을 위한 수십 밀리와트

광학 공진기는 빛의 빔을 여러 번 순환하고 작은 굴절률 변화를 큰 위상 변조로 변환할 수 있는 고리와 같이 고도의 대칭성을 가진 구조입니다. 공진기는 다양한 조건에서 작동할 수 있으므로 주의해서 사용해야 합니다. 예를 들어, "과소 결합" 또는 "임계 결합" 영역에서 작동하는 경우 공진기는 제한된 위상 변조만 제공하고 더 문제는 광 신호에 큰 진폭 변화를 도입합니다. 후자는 매우 바람직하지 않은 광학 손실입니다. 왜냐하면 개별 위상 변조기로부터 적당한 손실이라도 누적되면 충분히 큰 출력 신호를 갖는 회로를 형성하기 위해 계단식 배열을 방지할 수 있기 때문입니다.

완전한 2π 위상 튜닝과 최소 진폭 변화를 달성하기 위해 연구팀은 마이크로 링과 "버스" 도파관 사이의 결합 강도가 일정하지 않은 조건인 "강하게 과결합" 영역에서 마이크로 링을 작동하기로 결정했습니다. 링으로 빛을 공급하는 것은 마이크로 링의 손실보다 최소 10배 더 강력하며, 이는 주로 장치 측벽의 나노 스케일 거칠기에서의 광학 산란으로 인한 것입니다.

팀은 장치를 강하게 과결합된 영역으로 밀어넣는 몇 가지 전략을 개발했습니다. 가장 결정적인 것은 링의 반대쪽 가장자리에 있는 좁은 목과 넓은 배 사이에서 링이 부드럽게 전환되는 단열 마이크로 링 기하학의 발명이었습니다. 링의 좁은 네크는 버스 도파관과 마이크로 링 사이의 빛 교환을 촉진하여 결합 강도를 향상시킵니다. 링의 넓은 배는 유도된 빛이 단열 마이크로 링의 확장된 부분의 내부 측벽이 아닌 외부 측벽과만 상호 작용하여 측벽 거칠기에서의 광학 산란을 실질적으로 감소시키기 때문에 광학 손실을 줄입니다.

동일한 칩에 나란히 제조된 균일한 폭의 기존 마이크로 링과 단열 마이크로 링에 대한 비교 연구에서 팀은 기존 마이크로 링 중 어느 것도 강한 과결합 조건을 만족하지 않는다는 것을 발견했습니다. 매우 나쁜 광학 손실 - 단열 마이크로 링의 63%가 강하게 과결합된 영역에서 계속 작동했습니다.

가시 스펙트럼의 가장 어려운 부분인 청색과 녹색에서 작동하는 최고의 위상 변조기는 반경이 5미크론에 불과하고 π 위상 조정을 위해 0.8mW의 전력을 소비하며 10 미만의 진폭 변화를 도입합니다. 퍼센트. 연구원들에 따르면, 가시 파장에서 이러한 소형, 전력 효율적, 저손실 위상 변조기를 입증한 이전 연구는 없습니다.

연구원들은 그들이 전자공학의 통합 정도에 가깝지는 않지만 그들의 작업은 광자 스위치와 전자 스위치 사이의 간격을 상당히 줄인다는 점에 주목합니다. Nanfang 교수는 "이전 변조기 기술이 특정 칩 풋프린트와 전력 예산이 주어진 경우 100개의 도파관 위상 변조기의 통합만 허용했다면 이제 100배 더 잘 할 수 있고 칩에 10,000개의 위상 천이기를 통합하여 훨씬 더 정교한 기능을 실현할 수 있습니다"라고 말했습니다. 유.

연구원들은 현재 가시 스펙트럼 LiDAR con을 시연하기 위해 노력하고 있습니다. 단열 마이크로 링을 기반으로 하는 위상 시프터의 대형 2D 어레이를 나열합니다. 가시 스펙트럼 열광학 장치에 사용된 설계 전략은 전기 광학 변조기에 적용하여 발자국과 구동 전압을 줄이고 다른 스펙트럼 범위(예:자외선, 통신, 중적외선 및 테라헤르츠)에 적용할 수 있습니다. 그리고 마이크로 링 이외의 다른 공진기 설계에서.