콜로라도 대학교 볼더(University of Colorado Boulder)의 박원 교수 그룹이 개발한 광 도파관 마이크로 공진기는 새로운 온칩 센서 기술의 문을 활짝 열고 있습니다.
이 작은 광학 센서는 -칩에 빛을 가두어 빛의 강도-와 빛의 강도를 높입니다-Q 요인과 비선형성 덕분에 유도 브릴루앙 및 라만 산란을 통한 좁은-선폭 레이저, 주파수 빗 생성 또는 양자 정보 처리와 같은 응용 분야에 이상적입니다.
"우리는 장파장 투명도, 높은 비선형성, 니오브산리튬, 질화규소 등 다른 재료와 통합 가능성이 있는 비정질 특성으로 유명한 칼코겐화물과 같은 새로운 재료를 사용하여 비선형 광학을 탐구하는 데 관심이 있습니다."라고 전기공학과 박 교수는 설명합니다.
오일러?
그룹의 광 도파관 마이크로 공진기 설계는 오일러 "U" 굴곡을 기반으로 하며, 이를 통해 빛은 약 3나노초 동안 마이크로 공진기 내부에 머무를 수 있습니다(3{4}}ns 광자 수명 동안 빛은 약 0.5미터 또는 거의 천 왕복 이동합니다). 이는 장치의 경로 길이를 늘리고 비선형 광학 상호 작용을 가능하게 합니다. 이는 본질적으로 연구자가 마이크로 공진기에 내재된 굽힘 손실을 제어할 수 있게 하며 다른 최첨단 재료 플랫폼과 유사한 초저{5}}손실 장치를 가능하게 합니다.-}최신-
시뮬레이션은 기존 공진기가 빛을 너무 많이 잃는 이유를 파악하는 데 중요했습니다. "우리는 모드 필드 분포를 계산하고 중첩 적분을 수행하기 위해 COMSOL Multiphysics를 사용했습니다."라고 Park 씨는 말합니다. "이를 통해 우리는 직선 도파관과 곡선 도파관이 만나는 교차점에서 '최적 지점'을 정확히 찾아낼 수 있었습니다. 또한 우리는 FDTD 시뮬레이션을 사용하여 빛이 오일러 곡선을 통해 전파되는 방식을 모델링하여 일반적으로 이러한 소형-점유 공간 장치를 괴롭히는 고차 모드 여기를 억제할 수 있는지 확인했습니다."
그룹은 실제로 다른 실험을 위해 구조를 설계했으며 높은 발견에 매우 놀랐습니다.-Q 이후 두 개의 다른 클린룸 내에서 반복된 요인입니다.
"'아하'의 순간은 곡률이 선형적으로 변하는-오일러 곡선을 사용함으로써-매우 좁은 굴곡에도 불구하고 빛이 기본 모드를 유지하도록 본질적으로 '속일' 수 있다는 사실을 깨달았습니다."라고 Park씨는 말합니다. "우리의 실험 결과가 이론적 고유 품질 계수인 4.55 × 10과 일치하는 것을 확인하는 것은 매우 보람 있는 일이었습니다.6. 칼코게나이드 PIC에 대해 보고된 가장 높은 비선형 성능 지수를 달성하는 것이 가장 중요합니다."
리소그래피 챌린지
이를 달성하기 위해 연구진은 먼저 재료에 대한 전자빔 리소그래피 패터닝 프로세스를 개발해야 했습니다. 왜냐하면 광자를 사용하는 전통적인 리소그래피는 빛의 파장에 의해 제한되기 때문입니다.
주요 장애물이 관련되어 있습니까? 물질적 민감성. "칼코게나이드는 표면 산화 및 불순물{1}}관련 흡수로 인해 어려움을 겪을 수 있습니다."라고 Park은 말합니다. "두 명의 대학원생 Bright Lu와 James Erikson이 주도한 노력으로 우리는 재료 균질성을 개선하고 표면 거칠기를 줄이기 위해 250도에서 진공 어닐링 공정을 사용하여 이 문제를 극복했습니다. 또한 삼염화붕소(BCl)를 정밀하게 교정해야 했습니다.3) 및 아르곤(Ar) 가스 혼합물을 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭(ICP RIE) 중에 사용하여 '초고도-'를 유지하는 데 필수적인 매끄러운 측벽을 보장합니다.Q' 성능."
사진작가를 위한 '스위스 군용 칼'
이러한 공진기는 "PIC용 스위스 군용 칼"과 유사하다고 박씨는 말합니다. "높은 온도 때문에-Q요인과 비선형성을 고려하여 유도 브릴루앙 및 라만 산란을 통한 좁은-선폭 레이저, 계측 및 통신을 위한 주파수 빗 생성, 칩 구성 요소의 낮은 -손실-이 타협 불가능한 양자 정보 처리와 같은 다양한 응용 분야에 적합합니다."
이제 Park의 그룹은 플랫폼의 낮은{0}}손실 성능(0.43dB/m 흡수 손실)을 입증했으므로 궁극적인 손실 한계에 주목하고 있습니다. "우리는 또한 '물질적인-제한된' 성능을 향해 나아가기 위해 도파관을 더욱 확장하고 있으며, 이는 잠재적으로 우리의Q-더 높은 요소를 적용하고 훨씬 더 효율적인 비선형 상호작용을 가능하게 합니다."라고 그는 말합니다.
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