Journal Club 2019년도 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

연도별(4월-12월)

2019년도

발표 내용:

광섬유나 마이크로 광공진기를 이용한 솔리톤 발생은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그러나 외부 광원을 사용하는 경우, 코히어런스성이나 모드 간격의 제어, 장시간의 운용이라는 측면에서 과제가 남아있다. 따라서 본 연구에서는 공진기 내에서 Brillouin 산란을 이용하여 광카 효과를 발생시킨다. 이 방법으로 공진기 길이를 바꾸지 않고 반복 주파수를 GHz에서 THz까지 변화시키는데 성공하였다.

Laser & Photonics Review 13(2) - January 2019
Zachary L. Newman, Vincent Maurice, Tara Drake, Jordan R. Stone, Travis C. Briles, Daryl T. Spencer, Connor Fredrick, Qing Li, Daron Westly, B. R. Ilic, Boqiang Shen, Myung Kyun Su, Ki Yul Yang, Cort Johnson, David M. S. Johnson, Leo Hollberg, Kerry J. S. Johnson, Leo Hollberg, Kerry Hollberg, Kartik Srinivasan, Scott A. Srinivasan Boqiang Shen, Myoung-Gyun Suh, Ki Yul Yang, Cort Johnson, David M. S. Johnson, Leo Hollberg, Kerry J. Vahala, Kartik Srinivasan, Scott A. Diddams, John Kitching, Scott B. Papp, Matthew T. Hummon

발표 내용:

광원자시계는 최근 몇 년 동안 18자리 이상의 초정밀도를 달성했지만, 큰 크기와 벌크 포장의 사용으로 인해 널리 응용되지 못했다. 본 연구에서는 실리콘 나이트라이드와 실리카의 두 개의 미세 광공진기를 이용하여 주파수 고정된 콤을 이용하여 시계 신호를 생성하고, Rb 증기전지 내의 광학 전이 주파수를 분할하여 10^-13에 가까운 안정성을 가진 광원자 시계를 제작하는 데 성공하였다.

발표 내용:

수백 나노미터 간격으로 분리된 동작 파장을 가진 여러 개의 실리콘(Si) 광소자를 하나의 칩에 집적할 수 있는 방법이 개발됐다. 이 연구는 초정밀 광통신 모듈의 용량을 증가시키는 데 큰 도움이 될 것으로 기대되며, 두 개의 광결정 나노캐비티 소자 두 개를 통합하여 초고품질계수(Q)를 나타내며 1.31 및 1.55µm 대역에서 작동하며, 이중 두께의 Si-on-insulator 기판이 소자의 기반을 형성한다. 는 소자의 기초를 형성하며, 두 개의 나노캐비티 패턴은 두꺼운 기판과 얇은 기판 영역에 전자빔 리소그래피로 정의되고 플라즈마 에칭을 한 번만 수행하여 상부 Si 층으로 옮겨졌다. 제작된 1.31µm 나노캐비티의 모든 치수는 [1]15.5%보다 [1 -1.31/1.55)로 1.55-µm 나노캐비티의 그것보다 더 작다. 즉, 두 나노캐비티는 모두 동일한 광대역 다이어그램으로 처리할 수 있으며, 두 나노캐비티 모두 는 2.0×106 이상의 매우 높은 Q를 나타내며, 1.31/1.55-µm 대역의 나노캐비티 기반 라만 레이저를 서브마이크로와트 임계값으로 제작할 수 있다.

발표 내용:

DP-MZI는 마이크로 공진기의 광주파 콤의 주요 기능을 하나의 디바이스에 통합하는 방법으로 DP-MZI가 제안되고 있다.
이 방법은 안정적인 DKS 생성뿐만 아니라 fceo와 frep를 제어할 수 있다.
실험에서는 DP-MZI를 통한 펌프 주파수 및 전력 변조가 fceo와 frep에 미치는 영향을 조사하고, 이어서 마이크로 공진기 솔리톤 콤의 장기적인 안정성을 입증하고 있다.
또한, TWDI를 통해 파이버를 참조함으로써 솔리톤컴의 타이밍 지터를 크게 억제할 수 있다.

발표 내용:

파이버 레이저를 이용한 초단파 펄스는 연구 및 산업 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 이들은 소형화, 저비용 등 많은 장점을 가지고 있는 반면, 고강도 펄스를 섬유 내에 가두는 것은 바람직하지 않은 비선형 효과를 발생시킨다. 여기서는 이러한 비선형 효과를 이용하여 파이버 레이저 기반 증폭기를 제작하였다. 증폭 결과는 이득 대역폭보다 넓은 대역의 스펙트럼과 약 30 fs의 펄스폭을 달성했다.

발표 내용:

광학 분광법은 다양한 학문 분야와 연구 영역에서 광학 분석을 가능하게 하는 중요한 기술이다. 소자로서의 소형화 및 고해상도화에 대한 요구가 증가함에 따라 이 양립이 과제로 대두되고 있다. 이에 본 연구에서는 LN-SiN을 재료로 한 도파관 구조를 이용하여 푸리에 변환 분광기를 제작하고, NIR 영역의 파장대역 500nm의 넓은 범위에서 고해상도 및 소형 분광구조를 검증하고 있다.

발표 내용:

공진기를 이용한 고주파 포논과 빛의 강결합의 실현은 양자 상태 전달, 양자 메모리. 양자 변환 등에 이용할 수 있다고 한다. 또한, 기초물리학 연구에서도 주목받고 있는 분야이다. 그러나 GHz 이상의 기회 진동 모드에서 공진기에서 강결합 상태를 달성하는 것은 어려웠다.
이러한 가운데, 본 연구에서는 11GHz의 Brillouin 산란과 실리카 막대 공진기를 이용하여 빛과 고주파 포논의 강결합을 처음으로 보고하였다.

발표 내용:

본 논문에서는 전광 디지털 멀티플렉서를 구현하기 위한 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 2개의 입력과 1개의 제어 및 1개의 출력 포트를 가지고 있으며, 제어 포트를 이용하여 어떤 입력 포트를 출력 포트로 연결할지 결정할 수 있다. 제어 포트를 이용하여 출력 포트에 연결할 수 있는 입력 포트를 결정할 수 있으며, 제안된 구조는 두 개의 비선형 광결정 링 공진기, L자형과 T자형, 그리고 직선형 도파로 구성되었으며, 제안된 구조의 총 풋프린트와 최대 지연 시간은 은 각각 479 um^2와 3 ps였다.

발표 내용:

소산 커서톤(DKS)은 마이크로 광공진기의 비선형 광학 효과에 의해 발생하는 펄스열로, 비선형 광학 및 광집적 기술과 양립할 수 있는 것. DKS의 일종인 솔리톤 결정은 fsr의 배수 간격으로 콤 스펙트럼이 생성되어 발생하는 솔리톤 상태이지만, 그 역학은 자세히 알려져 있지 않았다. 은 자세히 알려져 있지 않았다. 본 연구에서는 LLE를 풀어서 솔리톤 결정의 안정 영역을 유도하고, 펌프광의 detuning과 파워를 변화시킴으로써 솔리톤 결정 상태의 변화를 검증하였다. 또한, 이 결과는 안정적인 단일 솔리톤 생성에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

발표 내용:

실리카 광섬유는 그 편재성과 저손실성으로 인해 국제적인 통신 및 IoT 네트워크에서 필수적인 존재이다. 본 연구에서는 단일모드 및 다중모드 실리카 광섬유를 D프린트 방식으로 최초로 제작하였다. 이 방법을 통해 기존의 광섬유 제작 방법으로는 불가능했던 형상의 광섬유 설계가 가능해졌다.

발표 내용:

본 논문에서는 마이크로 공진기의 시간 소산 커서톤을 기반으로 한 광 펄스열의 비선형 필터링에 대해 보고한다. 분석 및 수치 모델링과 결합된 실험 결과는 솔리톤 동역학이 캐비티의 에너지 보존 시간보다 더 긴 시스템의 물리적 상태에 대한 정보를 저장할 수 있으며, 이를 통해 캐비티의 고유한 선폭보다 한 자리 수 이상 큰 필터 폭을 생성할 수 있음을 보여준다. 생성할 수 있다. 이러한 비선형 광학 필터링은 광학 측정 및 낮은 타이밍 지터의 초단파 광 펄스 생성에 즉시 적용될 수 있으며, 마이크로파 포토닉스의 새로운 길을 열어줄 수 있다.

발표 내용:

고체 초단 펄스 레이저의 펄스폭은 레이저 결정의 발진대역에 의해 제한된다. 따라서 이득의 발진 대역을 확대하기 위한 노력이 약 반세기에 걸쳐 진행되어 왔다.
여기서는 스펙트럼 확대의 새로운 방법으로 유도 라만 산란을 이용하여 펄스폭을 대폭 단축하는 방법을 보고한다. 일반적으로 유도 라만 산란을 이용한 스펙트럼 확대 방법은 Synchronous pumping 방법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 펄스 광원과 라만 산란의 양자의 스펙트럼을 이용하여 스펙트럼 확대를 시도하였다. 레이저의 구성은 Yb:CALGO를 레이저 결정으로 사용한 Kerr 렌즈 모드 동기 레이저로, 스펙트럼을 확대한 결과 펄스폭은 기존의 1/3 (22 fs)로 단축되었다.

발표 내용:

랜덤 레이저는 공진기 구조를 사용하지 않고 레이징할 수 있는 소자로서 기존부터 주목을 받아왔다. 그러나 무작위성을 이용하는 특성 상 소자 특성 예측이 어렵고 제어가 어렵다는 문제점이 있었다. 본 연구에서는 광결정 구조에 부여하는 무작위성을 제어함으로써 레이저의 발진 파장, 모드 수 등 다양한 특성을 제어할 수 있음을 검증하였다.

발표 내용:

대규모 광집적회로는 양자정보통신에 있어서도 매우 중요하다. 그러나 지금까지 실리콘 포토닉스와 단일 광자 소스는 각각 독립적으로 연구되는 경우가 많았다. 그 이유는 재료의 차이 때문인데, 실리콘 포토닉스에서 일반적으로 사용되는 재료로 단일 광원을 만들 수 없어 다른 재료가 필요하기 때문이다.
따라서 본 발표에서는 실리콘 포토닉스와 단일 광원을 결합한 선행 연구를 소개하면서 본 연구 그룹이 채택한 방법과 그 장점에 대해 설명할 것이다.

발표 내용:

개요: 광 파라메트릭 과정은 새로운 파장의 코히어런트 전자기 방사선의 발생을 가능하게 한다. 이를 통해 파장을 광범위하게 변조할 수 있기 때문에 분광에서 양자 정보처리까지 다양한 응용이 기대된다. 그러나 기존의 가변 파라메트릭 광원에는 단점이 있어 그 응용이 제한되어 있다. 이에 본 논문에서는 초고Q 값을 나타내는 불화마그네슘 결정성 미세광 공진기를 이용하여 한계를 극복하고, 광범위한 변조 가능한 측파대를 발생시킬 수 있는 컴팩트하고 전력 효율이 높은 소자를 제작하였다. 정밀하게 설계된 분산 프로파일을 가진 여러 가지 공진기를 검토하여 각 공진기에서 수백 나노미터의 변조 가능한 측파대역을 구현했다. 또한 1,083nm에서 2,670nm까지의 광학 옥타브에 걸쳐 변조성을 관찰하고 4,000nm에서 중적외선 측파대를 측정했다. 실증한 소자는 저비용으로 광범위하게 변조 가능한 광원을 실현할 수 있을 것으로 기대된다.

발표 내용:

광변조기는 저손실, 저구동 전압, 광대역, 고선형성, 저설치 면적 및 낮은 제조비용과 같은 특성을 갖는 것이 바람직하다. 불행히도, 이러한 많은 지표를 동시에 달성하는 것은 지금까지 어려운 일로 여겨져 왔다.
본 연구에서는 실리콘과 리튬이오베이트의 하이브리드 통합 플랫폼을 기반으로 위에서 언급한 지표를 동시에 만족하는 마하젠다 변조기를 제작하였다.
성능 평가 결과, 제안된 소자는 2.5dB의 삽입 손실, 단일 구동 푸시-풀 동작에서 2.2V cm의 전압-길이 곱, 높은 선형성, 최소 70GHz의 EO 대역폭, 최대 112Gbit/s의 변조 속도 등을 보였다.
이러한 성과로 인해 이번에 제안한 플랫폼은 미래의 고속, 에너지 효율적이고 비용 효율적인 광통신 네트워크를 위한 새로운 가능성을 제시한다.

발표 내용:

레이저 활성 매질로 제작된 WGM 공진기는 효율적인 코히어런트 광원으로 작용한다. 그러나 이러한 고성능 출력을 실현하기 위해서는 고가의 레이저 광원을 사용해야 하기 때문에 실제 사용 시에는 적합하지 않다. 이에 본 연구에서는 저렴한 레이저 다이오드에 의한 여기에도 불구하고 안정적인 동작을 하는 WGM 공진기에 대해 보고한다. 기존의 문제점이었던 고차 모드에 대한 우려와 발진 방향, 낮은 출력 파워와 안정성을 해결하는 것을 달성하였다.

발표 내용:

저차원 물질(LDM) 탄소 나노튜브의 강도 의존적인 비선형 비흡수성(즉, 포화흡수성)을 탐색하여 포화흡수 기반 펄스폭 측정(SAPM)의 개념 증명을 시연한다. 저차원 물질 (LDM) 탄소 나노 튜브의 포화 흡수 (즉, 포화 흡수)를 탐색하여 포화 흡수 기반 펄스폭 측정 (SAPM)을 입증합니다. 1550 nm 부근에서 5.44×10-7 W2의 평균 전력-피크 전력 곱(Pav⋅ Ppk)으로 검출되었으며, 최소 검출 가능한 펄스 에너지 10 fJ의 최소 펄스 에너지는 Pav⋅ Ppk가 1.3 ×10-9 W2는 추가 최적화를 통해 추정되며, LDM의 나노미터 수준의 두께와 펨토초 수준의 감쇠 시간은 초고속 광 상호작용을 매우 작은 풋프린트에서 구현할 수 있어 왜곡을 최소화하면서 초고속 펄스의 칩 스케일 특성화를 잠재적으로 지원할 수 있다.

발표 내용:

색을 발산하는 물리적 현상이나 원리는 다양한 종류가 존재한다. 염료에 의한 선택적 스펙트럼에서의 빛 흡수, 마이크로 스케일이나 나노 스케일의 주기적 구조에서의 분산과 간섭 등이 그 예이다. 본 연구에서는 무지개 빛깔의 구조적 색을 만들기 위한 새로운 방법을 구현했다. 이를 위해 다층 액적과 3차원 고분자, 고체 입자를 이용해 새로운 이론적 예측과 검증을 수행했다. 이를 통해 제어 가능한 구조색을 마이크로 스케일로 설계할 수 있음을 보여주었다.

발표 내용:

칩에서의 정보 통신 및 정보 처리를 가속화하기 위해서도 지금까지 발전해온 전자 회로에 포토닉스 기술을 도입하는 것이 요구되고 있다. 이때 문제가 되는 것은 EO 및 OE의 변환 부분에서의 커패시턴스이며, 이 값이 크면 그만큼 많은 전하가 필요하기 때문에 변환 효율이 낮아지게 된다. 이에 본 연구에서는 초저 커패시턴스를 구현하기 위해 포토닉 크리스탈을 사용했다. 이를 통해 세계 최소 에너지로 동작하는 EO 변조기와 증폭기가 필요 없는 광수신기를 제작하는 데 성공했다. 또한, 이 두 소자를 하나의 칩에 결합하여 펨토패러드급 OEO 트랜지스터를 제작하여 초저전력으로 파장 변환과 광 증폭, 광 스위치를 실현했다.

발표 내용:

실리콘 광결정 결함 도파관을 기반으로 한 데이터 통신 응용을 위한 그래핀 광 검출기를 제시한다. 그래핀 층의 좁은 영역에 전파되는 빛을 가두어 빛과 물질의 상호작용을 향상시키는데 사용되며, 또한 광흡수 영역 부근에 p-n 접합을 만들기 위한 분할 게이트 전극으로 활용되며, 광결정 결함 도파관 는 그래핀에서 발생하는 온도 프로파일을 광전변환을 통해 최적의 광열전 변환을 가능하게 하는데, 이는 추가적인 실리콘 도파관 양쪽에 실리콘 슬래브를 추가하여 기존의 슬롯형 도파관 설계에 비해 장치 응답을 향상시켜 4.7V/W의 광응답성 와 18GHz의 (설정 제한) 전기적 대역폭을 달성했으며, 0.4 V의 적당한 바이어스 하에서 0.17 A/W의 광전도 응답성을 얻는다.

발표 내용:

아날로그 포토닉 링크는 광섬유 무선 통신, 킬로미터 규모의 시설에서 동기화, 저잡음 전자 신호 생성 등의 애플리케이션을 위해 고충실도, 고속의 광-전기 변환이 필요하다. 광검출기의 비선형성은 특히 문제가 되는 문제이며, 초단파 광펄스를 사용하는 시스템에서 신호 왜곡과 과도한 노이즈를 유발한다. 여기서는 고출력 처리와 고선형성을 위해 설계된 광검출기가 넓은 광전류 범위에서 전례 없는 선형성을 가진 초단광 펄스의 광-전기 변환을 수행 할 수 있음을 보여줍니다.
이번 연구는 최첨단 광다이오드에 비해 성능이 크게 향상되어 달성 가능한 마이크로파 전력을 크게 확대하는 데 성공했다.

발표 내용:

MIXSEL(모드 동기화 집적 외부 공진기면 발광 레이저)은 비교적 새로운 반도체 레이저의 일종이다. 레이저 발진 및 모드 동기화에 필요한 이득매질과 포화흡수매질을 단일 웨이퍼에 적층하여 공진기를 구성한다. 제작 비용이 높다는 단점이 있지만, 공진기 길이를 적층 수로 제어할 수 있기 때문에 5GHz ~ 100GHz의 반복 주파수를 실현할 수 있고, 출력 전력이 수 100 mW로 고출력 출력이 가능하다는 점이 특징이다.
본 연구에서는 반복 주파수 2.7 GHz, 펄스폭 150 fs, 스펙트럼 폭 13 nm(FWHM), 출력 전력 30 mW라는 성능의 MIXSEL을 기존의 제법과는 다른 방법으로 제작하여, 변형 보정 및 이득 매체의 고안, 열처리 방법의 개선으로 달성하였다. 발표에서는 MIXSEL의 구조와 구조, VECSEL(수직 공진기형 면발광 레이저)과의 비교, 그리고 응용처에 대해 설명할 예정이다.

발표 내용:

집적 포토닉스 기술을 활용한 마이크로 광 공진기에 의한 광 주파수 콤(마이크로콤)은 계측, 통신 및 센싱에 이르기까지 폭넓은 응용이 기대되는 주목받는 광원이다. 특히 실리콘 나이트라이드(Si3N4)를 재료로 하는 링 공진기는 집적성과 고비선형성의 양면을 모두 만족시키기 때문에 최근 많이 이용되고 있다.
본 연구에서는 실리콘 나이트라이드 공진기의 분산 제어를 통해 파장 1064nm의 레이저를 펌핑하여 파장 767~1556nm의 1옥타브에 걸친 광대역 마이크로컴을 발생시켰다. 또한, 마이크로컴의 모드 주파수를 조정하기 위해 치수를 변경한 75개의 링 공진기를 포함한 칩을 설계했다. 이 단일 칩 주파수 콤 광원은 원자 분광에 중요한 근적외선 영역부터 통신 파장대까지 모든 파장에 대한 접근을 가능하게 한다.

발표 내용:

리튬 나이오베이트 LN(LiNbO3)은 높은 2차 비선형성을 가진 광학 재료로 유명하다. 특히 LN을 이용하여 전기광학적 효과로 콤을 세우는 연구는 25년 이상의 오랜 역사를 가지고 있다. 그러나 LN은 실리카 기판 상에서 결정 성장할 수 없고, 구조적 단점으로 인해 광대역으로 콤을 발생시키는 것이 어려웠다.
최근 실리카 기판 위에 LN을 접착시키는 기술이 개발되어, 본 연구에서는 그 기판을 이용하여 실리카 기판 위에 LN의 도파관을 만들고, 마이크로파 전압을 바이어스하여 매우 넓은 파장대(1560nm-1640nm)에서의 콤 발생을 달성하였다. 또한, 바이어스 전압의 주파수를 변화시킴으로써 콤의 폭을 자유롭게 바꿀 수 있어, 이 기술은 온칩에서의 듀얼 콤 발생 등에 응용할 수 있다.

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Journal Club이란?
타나베 포토닉 구조 연구실에서 개최하는 공개 논문 윤강입니다. 대학원생 이상의 학생이, 광과학, 재료, 바이오사이언스 등, 빛과 그 주변기술에 관련하는 논문을 조사해, 알기 쉽게 해설합니다.

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