예일 대학교: 칩 규모 광 공진기의 자외선 광 손실이 새로운 최저 수준에 도달했습니다.

정보통신과 양자컴퓨팅에서 포토닉스가 핵심 역할을 하기 때문에 자외선 분야의 연구가 특히 중요하다. 예일대학교 연구팀이 자외선(UV)부터 가시광선까지의 스펙트럼에서 작동하고 전례 없는 낮은 UV 광 손실을 보이는 칩 기반 광자 공진기를 성공적으로 구축했습니다. 이 새로운 공진기는 자외선 광자 집적 회로(PIC)의 설계 크기, 복잡성 및 충실도를 확장하기 위한 견고한 기반을 제공하며 스펙트럼 감지, 수중 통신 및 양자 정보 처리에서 마이크로칩 기반 장치의 응용을 발전시킬 것으로 예상됩니다.

그림 1에 표시된 칩 규모 링 공진기는 자외선부터 가시광선까지의 스펙트럼에서 작동하며 기록적인 낮은 UV 광 손실을 달성합니다. 공진기(가운데의 작은 원)가 파란색으로 표시됩니다.

예일대학교 연구팀의 허청싱(Chengxing He)은 "상대적으로 성숙한 통신 포토닉스 및 가시광학에 비해 자외선 포토닉스에 대한 연구는 여전히 상대적으로 작습니다. 그러나 특정 원자 상태 전이를 조작하고 생화학적 감지를 위해 특정 형광 분자를 활성화하기 위해 원자/이온 기반 양자 컴퓨팅에서 자외선 파장을 사용해야 하는 필요성을 고려하면, 이 지역의 탐사는 매우 가치가 있습니다. 우리의 연구는 자외선 파장 광자 회로 구축을 위한 중요한 기반을 마련합니다."

논문에서 연구원들은 알루미나 기반 광학 마이크로 공진기를 설명하고 올바른 재료와 최적화된 설계 및 제조를 결합하여 자외선 파장에서 전례 없는 낮은 손실을 달성한 방법을 설명합니다.

연구팀의 리더인 Hong Tang은 "우리의 연구에 따르면 UV PIC(자외선 광자 집적 회로)는 이제 가시 영역에서보다 자외선 스펙트럼에서 빛 손실이 더 심하지 않은 전환점에 도달했음을 보여줍니다. 이는 주파수 빗 및 주입 잠금 기술과 같이 가시광선 및 통신 파장을 위해 이전에 개발된 모든 고급 PIC 구조가 이제 자외선으로 확장될 수 있음을 의미합니다. 파장."

DOI: https://doi.org/10.1364/OE.492510

알루미나 마이크로 공진기: 빛 손실 감소

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마이크로 공진기는 Integris의 공동 저자인 Carlo Waldfried와 Jun-Fei Zheng이 고급 원자층 증착(ALD) 기술을 사용하여 준비한 고품질 알루미나 필름으로 제작되었습니다. 알루미나는 큰 밴드 갭(약 8eV)을 갖고 있어 낮은 에너지(약 4eV)의 자외선 광자에 투명하므로 물질은 자외선을 흡수하지 않습니다.

이전 기록은 약 6eV의 밴드갭을 갖는 질화알루미늄을 사용해 달성됐다. 단결정 질화알루미늄과 달리 알루미나로 증착된 비정질 원자층은 결함이 적고 생산이 더 쉬우며 광 손실이 더 낮습니다.

마이크로 공진기를 제작하는 동안 연구원들은 산화알루미늄을 에칭하여 일반적으로 "리브형 도파관"이라고 불리는 구조를 형성했습니다. 이 골이 있는 도파관에서는 상단의 좁은 스트립이 빛의 전파를 제한하는 구조를 형성합니다. 도파관의 리브가 깊을수록 광 제약이 강해지지만 이는 산란 손실도 증가한다는 의미이기도 합니다. 구조를 최적화하기 위해 그들은 산란 손실을 최소화하면서 이상적인 빔 제한을 달성하는 것을 목표로 최적의 에칭 깊이를 결정하는 시뮬레이션 기술을 사용했습니다.

링 공진기: 성능 평가 및 통합 전망

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연구팀은 도파관 연구에서 얻은 경험을 반경 400μm의 링 공진기를 제작하는 데 적용했습니다. 그들은 400 nm 두께의 산화알루미늄 필름에서 에칭 깊이가 80 nm 이상에 도달하면 방사선 손실이 488.5 nm에서 0.06 dB/cm 미만, 390 nm에서 0.001 dB/cm 미만으로 감소한다는 것을 관찰했습니다.

이러한 매개변수에 따라 제작된 링 공진기에서 연구원들은 공진 피크 폭을 측정하여 품질 계수 Q를 평가하고 공진기의 광 주파수를 스캔했습니다. 결과는 품질 계수가 390nm 파장(UV 범위)에서 1.5×106, 488.5nm(가시 청색 범위)에서 1.9×106만큼 높은 것으로 나타났습니다(품질 계수가 높을수록 빛 손실이 적음을 의미함).

가시광선 또는 통신 파장용으로 특별히 설계된 PIC와 비교할 때 UV PIC는 대역폭이 더 넓거나 수중과 같은 특정 조건에서 쉽게 흡수되지 않기 때문에 통신 분야에서 이점을 가질 수 있습니다. 특히, 알루미나 생산을 위한 원자층 증착 기술은 CMOS 기술과 호환되어 CMOS와 비정질 알루미나 포토닉스의 융합 가능성을 창출합니다.

현재 연구자들은 다양한 파장에 맞춰 조정할 수 있는 알루미나 기반 링 공진기를 개발하기 위해 노력하고 있습니다. 이는 정확한 파장 제어를 달성하거나 두 개의 상호 작용하는 공진기를 사용하여 변조기를 개발하는 데 도움이 됩니다. 또한 PIC에 통합된 UV 광원을 개발하여 완전한 Pic 기반 UV 시스템을 구축할 계획입니다.

극자외선(EUV)은 자외선(UV) 범위의 하위 영역으로 다른 UV 하위 영역보다 파장이 짧으며 고정밀 기술 응용 분야에 자주 사용됩니다. 극자외선 광원과 관련된 과학, 기술 및 응용 분야에서 중국의 연구 수준을 향상시키고 세계 과학 개척, 국가 전략적 요구, 국가 경제, 정보 및 인공 지능의 주요 전장을 위한 극자외선 광원의 포괄적인 개발을 촉진하기 위해 China Laser는 2024년 7호(4월)에 "극자외선 광원 및 응용"이라는 주제를 발표할 계획입니다. 연구 및 기술 응용 분야의 극자외선 광원 개발 동향을 파악하고, 복합 고급 인재 양성 및 관련 학문 분야 구축을 촉진합니다.