초소형 저전력 가시광 변조기, 새로운 업계 표준 수립

지난 수십 년 동안 연구자들은 통신 애플리케이션(고속 5G 네트워크, 칩 상 바이오센서, 무인 자동차 등)에서 전류 사용에서 근적외선 대역의 빛 파동 조작으로 이동해 왔습니다. 통합 광자공학으로 알려진 이 연구 분야는 빠르게 진화하고 있으며, 연구자들은 이제 더 짧은(가시광) 파장 대역을 탐구하여 다양한 새로운 애플리케이션을 개발하고 있습니다. 여기에는 칩 규모 라이다(LiDAR), 증강/가상/혼합 현실(AR/VR/MR) 고글, 홀로그래픽 디스플레이, 양자 정보 처리 칩, 뇌 이식형 광유전학 프로브 등이 포함됩니다.

가시광 대역에서 이 모든 애플리케이션에 필수적인 한 가지 장치는 광 위상 변조기입니다. 이는 무선 컴퓨터 네트워크에서 라디오파의 위상이 변조되는 것과 유사하게 빛 파동의 위상을 제어합니다. 위상 변조기를 사용하면 연구자들은 빛을 서로 다른 도파로 포트로 전달하는 칩 상 광 스위치를 구축할 수 있습니다. 이러한 광 스위치의 대규모 네트워크를 통해 연구자들은 작은 칩 위에서 전파하는 빛을 제어할 수 있는 정교한 집적 광학 시스템을 만들 수 있습니다.

하지만 가시광 대역의 위상 변조기를 만드는 것은 매우 어렵습니다. 가시광 스펙트럼에서 충분히 투명하면서도 열광학 또는 전기광학 효과를 통해 큰 조절성을 제공하는 물질이 없기 때문입니다. 현재 가장 적합한 두 물질은 질화 실리콘과 니오븀 산화 리튬입니다.

둘 다 가시광 영역에서 높은 투명도를 가지지만, 어느 것도 큰 조절성을 제공하지 않습니다. 따라서 이러한 물질을 기반으로 한 가시광 스펙트럼 위상 변조기는 크기가 클 뿐만 아니라 전력 소모도 큽니다. 개별 도파로 기반 변조기의 길이는 수백 마이크론에서 수 밀리미터에 이르며, 단일 변조기는 위상 조정을 위해 수십 밀리와트를 소비합니다. 단일 마이크로칩에 수천 개의 장치를 임베딩하는 대규모 집적을 시도하는 연구자들은 지금까지 이러한 부피가 크고 에너지를 소비하는 장치에 가로막혀 왔습니다.

컬럼비아 공대 연구자들은 이 문제의 해결책을 찾았습니다. 그들은 마이크로링 공진자 기반 방식을 사용하여 가시광 스펙트럼 위상 변조기의 크기와 전력 소모를 1밀리미터에서 10마이크론으로, π 위상 조정을 위한 수십 밀리와트에서 1밀리와트 미만으로 획기적으로 줄였습니다.

광 공진자는 링과 같은 높은 대칭성을 가진 구조로, 빛 빔을 여러 번 순환시켜 미세한 굴절률 변화를 큰 위상 변조로 변환할 수 있습니다. 공진자는 다양한 조건에서 작동할 수 있으므로 신중하게 사용해야 합니다. 예를 들어 '언더커플드' 또는 '임계 커플드' 영역에서 작동하면 공진자는 제한된 위상 변조만 제공하고, 더 문제적으로 광 신호에 큰 진폭 변동을 도입합니다. 후자는 개별 위상 변조기의 적당한 손실이 축적되어 충분히 큰 출력 신호를 가진 회로를 형성하는 것을 방지하기 때문에 매우 바람직하지 않은 광 손실입니다.

완전한 2π 위상 조정과 최소 진폭 변동을 달성하기 위해 연구팀은 '강하게 오버커플드' 영역에서 마이크로링을 작동시키기로 했습니다. 이는 마이크로링과 빛을 링으로 공급하는 '버스' 도파로 간의 결합 강도가 마이크로링의 손실(주로 장치 측면의 나노스케일 거칠기에서의 광 산란로 인한)보다 최소 10배 더 강한 조건입니다.

팀은 장치를 강하게 오버커플드 영역으로 밀어넣기 위한 여러 전략을 개발했습니다. 가장 중요한 것은 매끄럽게 좁은 목과 넓은 배 사이를 전환하는 아디아바틱 마이크로링 지오메트리의 발명이었습니다. 이들은 링의 반대쪽 가장자리에 있습니다. 링의 좁은 목은 버스 도파로와 마이크로링 간의 빛 교환을 용이하게 하여 결합 강도를 높입니다. 링의 넓은 배는 유도된 빛이 아디아바틱 마이크로링의 확장된 부분의 외부 측면 벽과만 상호작용하고 내부 측면 벽과는 상호작용하지 않기 때문에 광 손실을 줄입니다. 이는 측면 벽 거칠기에서의 광 산란을 크게 줄입니다.

동일한 칩에서 나란히 제작된 아디아바틱 마이크로링과 균일한 폭의 기존 마이크로링을 비교 연구한 결과, 기존 마이크로링 중 어느 것도 강한 오버커플링 조건을 만족하지 못했습니다. 사실 매우 나쁜 광 손실을 겪은 반면, 아디아바틱 마이크로링의 63%는 강하게 오버커플드 영역에서 계속 작동했습니다.

가시광 스펙트럼에서 가장 어려운 부분인 파란색과 녹색에서 작동하는 그들의 최고 위상 변조기는 반경 5마이크론에 불과하며, π 위상 조정을 위한 전력 소모는 0.8mW이고 진폭 변동은 10% 미만입니다. 연구자들에 따르면, 이전 연구 중 가시광 파장에서 이처럼 콤팩트하고 전력 효율적이며 저손실인 위상 변조기를 입증한 것은 없습니다.

연구자들은 전자공학의 집적도에는 아직 미치지 못하지만, 그들의 연구가 광학 스위치와 전자 스위치 간의 격차를 크게 좁혔다고 언급합니다. "이전 변조기 기술이 주어진 칩 면적과 전력 예산으로 100개의 도파로 위상 변조기 집적만 허용했다면, 이제 우리는 100배 더 잘할 수 있고 단일 칩에 10,000개의 위상 시프터를 집적하여 훨씬 더 정교한 기능을 구현할 수 있습니다."라고 Nanfang Yu 교수는 말했습니다.

연구자들은 이제 아디아바틱 마이크로링 기반의 대형 2D 위상 시프터 어레이로 구성된 가시광 스펙트럼 라이다(LiDAR)를 시연하기 위해 노력하고 있습니다. 가시광 스펙트럼 열광학 장치에 사용된 설계 전략은 전기광학 변조기에 적용하여 풋프린트와 구동 전압을 줄일 수 있으며, 다른 스펙트럼 영역(자외선, 통신, 중적외선, 테라헤르츠) 및 마이크로링을 넘어선 다른 공진기 설계에도 적용할 수 있습니다.