혁신적인 MEMS 격자 변조기는 통신의 광학 효율성 및 확장성을 향상시킵니다.

중국 베이징 중국과학원 항공우주정보연구소

제안된 MEMS 격자 변조기의 개략도. (이미지:마이크로시스템 및 나노공학)

새로운 MEMS(Microelectromechanical System) 격자 변조기가 개발되어 통신 시스템의 광 효율성과 확장성을 크게 향상시켰습니다. 넓은 면이 제한된 연속 리본과 조정 가능한 정현파 격자를 통합함으로써 30 × 30mm의 대규모 조리개가 달성되고 최대 250kHz의 고속 변조를 지원합니다.

이 장치는 90%의 광 효율성과 95% 이상의 동적 변조 대비를 달성하여 자유 공간 광 통신 및 원격 감지에 이상적입니다. 장치의 분산 특성은 분광계 및 초분광 이미징 시스템을 포함한 파장 감지 응용 분야에서 매력적입니다. 이 혁신은 조리개 크기, 효율성 및 변조 속도와 관련된 중요한 과제를 해결하여 고속, 에너지 효율적인 통신 네트워크를 향상시킬 것을 약속합니다.

MEMS 광 변조기는 자유 공간 광통신 및 LiDAR과 같은 차세대 기술에서 매우 중요하지만 기존 설계는 조리개 크기, 효율성 및 속도의 균형을 맞추는 데 어려움을 겪고 있습니다. 기존의 마이크로미러 기반 변조기는 저주파에서 작동하는 경우가 많은 반면, 격자 변조기는 굽힘 변형 및 차선의 광학 효율성에 직면해 있습니다.

고전력 시스템에 필요한 대형 조리개는 기계적 제약으로 인해 방해를 받았습니다. 이러한 과제를 바탕으로 광통신 시스템의 발전을 지원하기 위한 확장 가능하고 효율성이 높은 변조기에 대한 필요성이 절실히 필요합니다.

마이크로시스템 및 나노공학에 게재됨 , Northwestern Polytechnical University의 연구원들은 조정 가능한 정현파 격자를 특징으로 하는 혁신적인 MEMS 격자 변조기를 출시했습니다. 이 장치는 30 × 30mm의 대구경, 90%라는 놀라운 광학 효율성, 1.1μs에 가까운 초고속 응답 시간을 달성합니다. 이 장치는 넓은 파장 범위(635~1700nm)에 걸쳐 고속 변조를 지원하도록 설계되어 고속 에너지 효율적인 광학 시스템의 과제에 대한 유망한 솔루션을 제공합니다.

변조기의 주요 혁신은 굽힘 변형을 방지하고 약 460.0kHz의 공진 주파수를 손상시키지 않으면서 확장 가능한 조리개 확장을 허용하는 넓은 면이 제한된 연속 리본에 있습니다. 정현파 격자 디자인은 충전율(96.6%)과 회절 효율을 극대화하여 100kHz에서 20dB 소광비와 98% 변조 대비를 달성합니다. 격자 표면의 스루홀 배열은 공기 감쇠를 최적화하여 잔류 진동 없이 매우 감쇠된 응답을 제공합니다. 실험 결과는 250kHz에서 95% 이상의 명암비, 가시광선 및 근적외선 스펙트럼(±30° 시야각) 전반에 걸친 효과적인 성능, 2마스크 SOI 프로세스를 사용한 안정적인 제작으로 완전한 변조를 입증했습니다. 이러한 혁신은 조리개 크기, 효율성 및 속도 간의 전통적인 상충 관계를 극복하여 MEMS 광 변조기의 새로운 기준을 설정합니다.

교신저자인 Yongqian Li 박사는 장치의 잠재력을 다음과 같이 강조했습니다. "이 변조기는 확장 가능한 조리개 설계와 비교할 수 없는 광학 효율성을 결합함으로써 LiDAR에서 차세대 통신 네트워크에 이르기까지 고전력, 고속 응용 분야에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다. 마이크로미러를 제거하면 복잡성과 비용이 줄어들고 이 기술을 널리 채택할 수 있도록 확장 가능합니다."

변조기의 큰 조리개와 높은 효율은 자유 공간 광 통신에 이상적이며 장거리 신호 무결성을 보장합니다. 빠른 응답 시간은 LiDAR 및 적응광학 애플리케이션에 매우 적합하며, 편광 독립성은 다양성을 더해줍니다. 향후 버전에서는 다중 채널 빔 형성 또는 양자 통신 시스템과의 통합이 가능해질 수 있습니다. 이러한 혁신은 항공우주 및 통신 분야에 폭넓게 적용되는 에너지 효율적인 고대역폭 네트워크의 개발을 가속화합니다.

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