니오브산 리튬 기반의 초고속 고성능 비선형 스플리터

Jan 12, 2024

2022년 8월 12일 특집

작성자: Ingrid Fadelli, Tech Xplore

빛의 동작과 특성을 활용하는 기술인 광학은 기존의 많은 기술 도구, 특히 장치 간 장거리 및 단거리 고속 통신을 가능하게 하는 광섬유 통신 시스템의 기초입니다. 광신호는 높은 정보 용량을 가지며 더 먼 거리로 전송될 수 있습니다.

캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 연구원들은 최근 기존 광학 시스템의 일부 한계를 극복하는 데 도움이 될 수 있는 새로운 장치를 개발했습니다. 네이처 포토닉스(Nature Photonics)에 게재된 논문에 소개된 이 장치는 수십 펨토줄(femtojoules)의 극히 낮은 광펄스 에너지에서 초단광 펄스를 전환할 수 있는 니오브산리튬 기반 장치이다.

"전자제품과 달리 광학은 여전히 ​​컴퓨팅 및 신호 처리에 필요한 구성 요소의 효율성이 부족합니다. 이는 초고속 및 효율적인 컴퓨팅 계획을 위한 광학의 잠재력을 여는 데 주요 장벽이었습니다."라고 이번 연구의 수석 연구원인 Alireza Marandi는 Phys.org에 말했습니다. . "지난 수십 년 동안 이 문제를 해결할 수 있는 전광 스위치를 개발하기 위해 상당한 노력을 기울였지만 대부분의 에너지 효율적인 설계는 높은 Q 공진기 또는 캐리어를 사용했기 때문에 느린 스위칭 시간으로 어려움을 겪었습니다. 비선형성을 기반으로 합니다."

Marandi와 그의 동료들의 최근 연구의 주요 목적은 니오브산 리튬의 고유한 비선형성을 활용하여 고성능 광 스위치를 개발하는 것이었습니다. 그들은 이 스위치가 초고속(펨토초 범위)이면서 초저(즉, 펨토줄) 에너지 체제에서 작동하기를 원했습니다.

장치를 설계할 때 연구원들은 공진기를 통합하지 않았습니다. 대신 에너지 소비와 속도 측면에서 장치의 스위칭 성능을 향상시키는 두 가지 핵심 요소를 도입했습니다.

첫째, 파라메트릭 비선형 프로세스의 강도는 피크 강도에 따라 달라지기 때문에 비선형 상호작용을 향상시키기 위해 나노도파관에서 빛의 시공간적 제한을 활용한다고 Marandi는 말했습니다. "이러한 시공간적 감금은 도파관의 나노크기 단면과 펨토초 펄스가 나노크기 도파관을 통해 전파될 때 짧게 유지될 수 있는 분산 공학의 가능성으로 인해 나노광자성 리튬 니오베이트에서 가능했습니다."

Marandi와 그의 동료가 만든 장치의 두 번째 특징은 비선형 상호 작용의 준위상 매칭이 설계되었다는 것입니다. 보다 구체적으로, 연구팀은 나노도파관을 따라 니오브산리튬의 결정학적 방향을 설계하고 변경했습니다.

"우리는 중간에 인공 결함이 있는 주기적 패턴을 사용하여 비선형 프로세스를 SHG(2차 고조파 생성)에서 OPA(광 매개변수 증폭)로 결정적으로 전환합니다."라고 박사후 연구원이자 논문 주저자인 Qiushi Guo는 말했습니다. 설명했다. "이 결함 앞에 파장 선택 커플러를 추가하면 저에너지 입력 펄스가 도파관의 전반부에서 효율적인 SHG로 이어지지 않기 때문에 선형 커플러에 의해 삭제됩니다. 그러나 고에너지 펄스는 효율적인 SHG로 이어집니다. 커플러 이전에 입력 에너지가 입력의 2차 고조파 파장에 저장되므로 커플러에 의해 삭제되지 않습니다. 결함 후 OPA 프로세스는 신호를 입력 파장으로 되돌립니다."

초기 평가에서 연구원들은 그들의 설계가 펨토줄의 에너지만 소비하면서 초고속 전광 스위칭을 가능하게 한다는 것을 발견했습니다. 특히, 그들의 장치는 통합 포토닉스에서 ~46fs의 가장 빠른 스위칭 시간과 3.7 × 10−27Js의 가장 낮은 에너지 시간 곱을 특징으로 하는 80fJ까지의 초저 스위칭 에너지를 달성했습니다.