다기능 인터페이스로 자유 공간에서 광파 조작 가능

2023년 5월 23일

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작성자: SPIE

최근의 기술 발전으로 인해 우리는 광파를 조작하고 제어할 수 있는 놀라운 능력을 갖게 되었으며, 광통신, 감지, 이미징, 에너지 및 양자 컴퓨팅과 같은 다양한 분야에서 수많은 응용 분야를 열었습니다. 이러한 발전의 중심에는 칩 수준의 PIC(광자 집적 회로) 또는 자유 공간의 메타 광학 장치에서 광파를 제어할 수 있는 광자 구조가 있습니다.

이러한 구조를 결합하면 소형 광학 시스템을 만들 수 있습니다. PIC는 원하는 출력을 얻기 위해 위상과 강도를 조작하는 등 광파에 미묘한 변화를 주는 데 사용될 수 있으며, 그런 다음 메타 광학에 의해 자유 공간에서 유도될 수 있습니다. 이러한 결합 시스템은 양자 컴퓨팅 및 전력 광 감지를 위한 큐비트는 물론 자율 차량 내비게이션 및 매핑에 사용되는 것과 같은 거리 측정 시스템을 제어할 수 있습니다.

PIC는 나노미터 규모의 도파관을 사용하여 빛을 제한하고 방향을 지정하기 때문에 광섬유와 같은 더 큰 장치에 빛을 결합하는 것이 까다롭습니다. 격자 커플러는 PIC의 도파관으로 들어가거나 나가는 빛을 회절시킬 수 있는 격자 구조 때문에 이러한 목적으로 일반적으로 사용됩니다. 그러나 이러한 장치는 광파를 어느 정도만 형성할 수 있어 적용 가능성이 제한됩니다.

이러한 단점을 고려하여 임의의 모양으로 광학 파면을 조작할 수 있는 메타 광학이 PIC의 빛을 결합하는 데 제안되었습니다. 이 접근 방식은 유망하지만 PIC와 여유 공간 간의 다기능 결합은 아직 보고되지 않았습니다.

이제 Advanced Photonics Nexus에 발표된 연구에서 워싱턴 대학의 연구원들은 별도의 메타 광학 칩 아래에 격자가 있는 광자 집적 회로로 구성된 칩 규모 하이브리드 PIC/메타 광학 플랫폼을 시연했습니다. PIC는 2차원 배열로 배열된 16개의 동일한 격자로 구성되며, 각각의 구멍 크기는 300마이크로미터이고 격자 커플러를 통해 광섬유에 연결됩니다. 이러한 격자는 도파관 역할을 하며 광섬유의 빛을 입력광과 평행하게 자유 공간으로 형성하고 출력하는 메타광학 칩으로 빛을 전달합니다.

"저손실 메타광학 어레이를 사용하여 우리는 광자 집적 회로와 자유 공간 사이의 유연하고 상호 교환 가능한 인터페이스를 개발했습니다."라고 시애틀에 있는 워싱턴 대학교의 Arka Majumdar 부교수는 말했습니다.

이 플랫폼을 사용하여 연구원들은 14개의 PIC 격자를 통해 동시에 빛을 통과시킨 다음 메타 렌즈, 소용돌이 빔 생성기, 확장된 초점 심도 렌즈 및 홀로그램과 같은 14개의 서로 다른 메타 광학 장치로 해당 빔을 형성할 수 있었습니다.

"메타 광학은 자유 공간 광학과 통합 포토닉스 사이의 다기능 인터페이스를 생성하기 위해 광학 파면을 형성하는 능력을 가지고 있습니다. 이 연구는 이를 활용합니다. PIC에서 나오는 모든 광선은 동일하지만 다른 메타 광학을 배치함으로써 각 격자 위에서 우리는 빔을 개별적으로 동시에 조작할 수 있었습니다."라고 Majumdar는 설명합니다.

다양한 메타광학을 사용한 실험에서 연구원들은 입력광에 대한 사전 지식이나 두 칩 사이의 정확한 정렬이 필요하지 않은 경우에도 장치가 높은 정확성과 신뢰성으로 작동한다는 것을 발견했습니다. 구체적으로 그들은 3마이크로미터의 회절 제한 지점과 10데시벨 이상의 피크 신호 ​​대 잡음비를 갖는 홀로그램 이미지를 달성했습니다.