Journal Club 2020년도 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

연도별(4월-12월)

2020년도

발표 내용:

WGM 공진기는 키랄 대칭성을 가지고 있어 CW, CCW 방향의 광출력 제어가 쉽지 않다. 본 논문에서는 펌프광의 강도를 변화시킴으로써 대칭성이 깨지는 것을 이용하여 마이크로 레이저 광원을 개발하였다. 여기서 실험적으로 CW 방향의 선택비가 160:1에 가까운 값을 달성하였으며, 이 견고하고 재구성 가능한 시스템은 향후 새로운 플랫폼으로 활용될 가능성이 있다.

발표 내용:

마이크로파 또는 무선 주파수 영역의 주파수에 따라 균등하게 배치된 광 스펙트럼을 통해 광 주파수 콤은 마이크로파 기준에서 광 주파수를 합성할 뿐만 아니라, 광 주파수 분할을 통해 초저잡음 마이크로파를 생성하는 데에도 사용되어 왔다. 본 연구에서는 두 개의 주파수 콤, 즉 솔리톤 마이크로콤과 반도체 이득 스위치 콤을 결합하여 새로운 주파수 분할 기술에 기반한 저잡음 마이크로파 발생을 시연하였다. 정현파 전류에 의해 구동되고 마이크로 공진기 솔리톤에 주입 고정되는 반도체 레이저를 사용하여 소산 솔리톤의 스펙트럼 순도를 마이크로컴의 반복되는 정수배 주파수에 고정시킨다. 이득 스위치콤은 솔리톤 마이크로콤의 라인 간격을 분할하는 고밀도 광 스펙트럼을 출력한다. 집적화 가능성으로 인해 두 개의 칩 스케일 장치의 통합은 주파수 콤 기술의 광범위한 응용 분야로 나아갈 수 있는 길을 열어준다.

발표 내용:

최신 마이크로컴 기반 RF 필터는 펄스 셰이퍼가 필요하기 때문에 시스템의 비용, 설치 공간 및 복잡성을 증가시킨다. 본 연구에서는 솔리톤 콤을 이용하여 추가적인 펄스 셰이퍼를 필요로 하지 않는 콤 기반 RF 필터를 시연한다. 또한, 다양한 마이크로컴 상태(단일 솔리톤컴, 2 솔리톤컴, 퍼펙트 솔리톤 크리스탈)를 적용하여 RF 필터의 재구성을 용이하게 할 수 있다.

발표 내용:

가포화 비선형성을 갖는 계는 선형계에는 없는 다양한 현상을 가져온다. 본 연구에서는 Er 이온을 실리카 미세공진기에 첨가한 경우의 가포화 비선형성(가포화 흡수와 이득)을 이론과 실험으로 입증하였다. 그 결과, 첨가 농도가 낮은 경우에는 분리된 모델이 실험 결과와 잘 일치하며, 고농도 첨가의 경우에는 기본적인 설명으로 포화 비선형성 분석에 이용될 수 있음을 보여주었다. 그러나 고농도 첨가의 경우, 실험 데이터와의 정합성을 위해 Er 이온의 클러스터링 효과도 고려해야만 합리적인 일치를 얻을 수 있음을 알 수 있었다. 따라서 이온 농도를 변화시켜 포화 비선형성을 실험적으로 평가하였다. 이 실험 결과는 광쌍안정성, 비선형 패리티 시간대칭성 등 이론과 높은 일치성을 보였다. 포화비선형성에 기반한 이론의 다른 응용처에 대한 가능성을 시사한다.

발표 내용:

모드 고정 레이저에서 캐리어 엔벨로프 위상(CEP)을 장시간에 걸쳐 제어하는 것은 초고속 광학 및 정밀 측정 등의 응용을 위해 필수적인 기술이다. 본 논문에서는 피드포워드 방식에 의한 단기 제어, 피드백 방식에 의한 장기 제어를 조합한 제어 시스템을 이용하여 Er:Yb 모드 잠금 레이저의 CEP를 75시간 이상에 걸쳐 14mrad 이하의 정밀도로 안정화시키는데 성공하였다. 또한, 외부 환경 변화에 대한 제어시스템의 성능 평가도 수행하였다.

발표 내용:

초전도 나노 와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)는 현재 근적외선 파장의 주요 단일 광자 계수 기술로, 90% 이상의 효율, 3ps 미만의 지터, 수 ns의 리셋 시간, Hz 미만의 암계수율을 실현하고 있다. 그러나 초전도 전이단 센서(TES)나 마이크로파 역학적 인덕턴스 검출기(MKID)와 달리 SNSPD는 광자수 분해능이 부족하다. 본 논문에서는 테이퍼 전송 라인에 의한 임피던스 정합을 이용하여, 50Ω으로 판독 전자기기를 연결하면서, 래칭 없이 SNSPD에 kΩ의 부하 임피던스를 제공함으로써 SNSPD 출력 진폭을 광자 유도 핫스팟의 수에 민감하게 하여, 보다 실용적인 광자수 분해능을 가능하게 한다. 해상도를 가능하게 한다.

발표 내용:

신경망과 같은 기계학습 기술은 나노구조의 역문제에 대한 강력한 도구로 주목받고 있다. 그러나 나노 구조와 그 광학 특성의 관계가 복잡하기 때문에 최적해가 고유하지 않은 경우가 많으며, 이 경우 알고리즘의 수렴에 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제에 대해 본 논문에서는 혼합 밀도 네트워크(Mixture density network)라는 알고리즘을 이용하여 분석을 수행하여 그 유용성을 밝히고 있다.

발표 내용:

광카컴은 파장분할다중(WDM) 통신 시스템의 중요한 구성요소가 될 수 있으며, 최근 실험에서 수십 Tbit/s의 고속 통신 가능성을 입증했다. 그러나 칩 스케일 콤 소스의 출력 전력은 일반적으로 기존 출력보다 낮기 때문에 증폭기를 추가해야 하며, 이는 광 신호 대 잡음비(OSNR)를 저하시킨다. 본 논문에서는 통신 전력과 광 캐리어 대 잡음비(OCNR)가 WDM의 성능에 미치는 영향에 대해 살펴본다. 또한, 특히 흥미로운 사례로 솔리톤 콤을 사용하여 라인 간 전력 변동이 달성 가능한 OSNR과 전송 용량에 미치는 영향을 조사한다. 이는 서로 다른 종류의 콤 소스를 비교하고 달성 가능한 전송 성능에 대한 기준을 제시하는 데 도움이 될 것으로 보인다.

발표 내용:

마이크로 광공진기는 낮은 모드 부피와 높은 Q값의 특성으로 인해 비선형 광 파라메트릭 발진이 가능하다. 이러한 연구에서 중요한 것은 상대적인 공진 주파수를 제어하는 것이다. 실리콘 나이트라이드 공진기에서의 기존 방법은 링 공진기의 단면을 변화시켜 글로벌 공진 모드를 조정해 왔다. 이 방법은 경쟁하는 비선형 공정을 도입하고자 할 때 적합하지 않을 수 있다. 이 문제를 해결하기 위한 방법으로 다중 선택 모드 분할(MSMS)을 수행하여 목표 공진 주파수를 조정하는 방법을 제시한다.

발표 내용:

가시광선 영역의 파장 가변 마이크로 레이저는 조명 기술, 디스플레이, 센싱 등에서 중요한 역할을 한다. 그러나 대부분의 파장 가변 마이크로 레이저는 멀티 모드로 동작하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 WGM 공진기에 가시광 영역에서 이득을 갖는 물질을 첨가하여 RGB 발광을 얻었다. 또한, 이들 공진기를 결합하여 특정 파장만을 추출함으로써 파장 가변 단일모드 레이저를 개발하였다.

발표 내용:

소산 커서톤은 광대역 코히어런트, 저잡음 주파수 콤과 안정된 시간 펄스 열을 제공하여 분광학, 통신 및 계측학에서 큰 잠재적 응용 가능성을 보여준다. 브리징 솔리톤은 펄스 폭과 피크 강도가 주기적인 진동을 보이는 특정 종류의 소산성 커서톤이다. 여기서는 질화규소(Si3N4) 마이크로링의 브리징 소산 커서톤을 조사했는데, 시뮬레이션과 실험 모두 브리징 주기가 약 메가헤르츠(MHz) 단위의 불안정성을 보였다. 이 불안정성은 향후 응용에 큰 걸림돌이 될 것이다. 변조 신호를 펌프 레이저에 적용하면 브리징 주파수를 변조 주파수에 인젝션 록킹하여 주파수 노이즈를 크게 억제하여 수십 MHz 이상으로 조정할 수 있다. 우리의 성과는 마이크로 공진기의 솔리톤 역학 제어에 대한 2차적인 진입을 제공하고, 브리징 솔리톤의 실용적인 응용을 위한 새로운 길을 열어준다.

발표 내용:

비선형 광학 효과 중 유도 Brillouin 산란은 고체 물질에서 가장 높은 이득을 나타내며, 도파관에서의 첨단 포토닉스 기능을 입증해 왔다. 한편, 기체의 큰 압축성을 이용하면 유도 Brillouin 산란의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 기체를 고압으로 충전한 중공 코어 파이버를 사용하여 고체 실리카 파이버에서 관찰된 값에 비해 6배 이상의 Brillouin 증폭을 달성했다. 이 방법은 모든 파장대역의 빛에 적용할 수 있으며, 중공 코어 도파관에서 다양한 빛의 증폭이 가능하다는 것을 시사한다. 또한, 이 메커니즘을 응용한 낮은 임계값의 Brillouin 파이버 레이저 및 고성능 분산형 온도 센서를 구현하여 중공 코어 파이버의 새로운 응용 가능성을 보여주었다.

발표 내용:

최근 마이크로컴은 1THz까지 고반복이 가능해져 파장 다중화, 코히어런트 샘플링, 자기 참조 등 많은 분야에서 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 반복 주파수에서는 광다이오드 및 전자기기의 대역폭이 제한되어 있어 검출이 어렵다. 본 논문에서는 이 문제를 해결하기 위해 듀얼 콤 버니어 주파수 분할법("Dual-comb Vernier frequency division method")을 보고한다. 이는 프리러닝 216GHz 버니어 솔리톤을 이용하여 메인 솔리톤의 반복 주파수를 197GHz에서 995MHz까지 샘플링하여 분할한다. 이 시연은 마이크로컴의 반복 주파수 검출을 위한 장치 요구사항을 완화하여 광시계, 마이크로파 포토닉스 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.

발표 내용:

마이크로컴은 다양한 응용 분야에 활용될 것으로 기대되고 있지만, 에너지 효율이 낮고 제어가 어렵다는 점이 실생활에 적용하는 데 걸림돌이 되고 있다. 여기서는 솔리톤 마이크로컴에 레이저 이득 매질(에르븀 이온)을 도입하여 민첩한 온-오프 스위치와 조절 가능한 듀얼컴인 카이랄 솔리톤을 실험적으로 구현하였다. 에르븀 이득을 조절하여 다중 솔리톤 상태를 생성할 수 있고, 솔리톤 가능 영역을 확장할 수 있다.

발표 내용:

위스퍼링 갤러리 모드(WGM) 공진기에서의 비선형 과정의 연속적인 파인 튜닝(파장 미세 조정)은 아직 걸음마 단계에 머물러 있다. 이에 리튬 나이오베이트 결정으로 구성된 WGM 공진기를 내부에 내장된 피에조 소자를 확장하여 미세 튜닝을 실현하였다. 이 방법의 장점으로 분산이 작다는 점과 열에 의한 파인 튜닝보다 속도가 빠르다는 점을 들 수 있다. 본 논문에서는 이 방법을 이용하여 1µm 부근의 펌프광에 대해 2차 고조파 발생을 28GHz의 범위에서, 파라메트릭 광 발진은 4.5GHz의 범위에서 모드 호핑이 없는 연속적인 튜닝을 실현했다.

발표 내용:

PT 대칭이 비공간 파라미터인 파장 공간에서 구현될 수 있음을 제안하고 실험적으로 입증하였다. 고품질의 마이크로파 신호를 생성하기 위해 파장 공간에서 PT 대칭 OEO(광 마이크로파 발진기)를 설계하였다. 공간적 중복을 제거하여 시스템의 복잡성을 줄이고, 공간적으로 PT 대칭인 시스템에 비해 안정성을 크게 향상시킬 수 있음을 보여주었다.

발표 내용:

원편광 상태의 진공 자외선 코히어런트 빛을 이용하여 전자의 스핀 상태나 생체의 분자 구조 등의 순간적인 현상을 관찰할 수 있으며, 지금까지 없었던 새로운 현상이나 특성을 발견할 수 있을 것으로 기대된다. 그러나 진공 자외선 영역의 빛의 제어는 어렵고, 코히어런트 원형 편광의 펄스광의 발생은 어려웠다. 본 논문은 4회 회전 대칭인 포토닉 결정에 가시광 영역의 원편광 펨토레이저 광을 조사하여 진공 자외선 영역의 원편광으로 편리하게 변환하는 방법을 개발하였다는 내용이다.

발표 내용:

0.7dB의 저위상변환 삽입손실 실리콘-유기 하이브리드 마흐젠더 변조기에 대해 변조방식 OOK와 PAM4로 100GBd의 데이터 전송 실험을 실시하여 최대 200Gbit/s의 라인 속도를 달성했다. 비트 오류율은 7%의 하드 판정 전방 오류 정정(HD-FEC) 임계치 이하인 187Gbit/s의 순 데이터 전송률을 보였다. 이는 1mm 이하의 실리콘 포토닉 마흐젠더 변조기에서 지금까지 달성된 가장 높은 PAM4 데이터 전송률이다.

발표 내용:

레이저 주파수의 고속 작동은 위상 동기화, 주파수 안정화 및 광 캐리어 내에서의 안정적인 전송을 위한 전제 조건이다. 솔리톤 마이크로컴은 칩 스케일의 주파수 콤 광원으로서 시스템 레벨의 시연이 이루어졌지만, 지금까지 온칩에서 MHz 작동 대역의 위상 동기화를 달성하지 못하였다. 본 연구에서는 고속 솔리톤 마이크로컴 작동을 위해 모놀리식으로 통합된 AlN 액추에이터를 사용하여 고속으로 작동시켰다.

발표 내용:

전자기파 유도 투명화(EIT)는 불투명한 매질에서 빛의 흡수를 억제하는 양자 간섭 효과로 슬로우 라이트 생성, 광 저장, 주파수 변환, 광 양자 메모리 등 다양한 응용처가 발견되고 있다. 본 연구에서는 공진기 내 빛의 전파 방향을 제어함으로써 온도나 광 파워의 외부 제어가 필요 없는 새로운 시스템에서 EIT를 달성했다.

발표 내용:

강력한 포켈스 및 커 비선형 광학 효과와 매우 큰 밴드갭을 가진 단결정 알루미늄 질화물(AlN)은 비선형 광학 분야에서 매력적인 플랫폼이다. 본 논문에서는 TE00 모드에서 높은 Q값(2.1×10^6)으로 잘 에칭된 사파이어에 집적된 AlN 마이크로 공진기를 포토리소그래피로 제작하여 1100~2150nm 범위의 거의 한 옥타브에 이르는 카컴을 TM00 모드에서 406mW의 전력으로 여기한다. 모드에서 여기된다. 높은 포획 성능으로 인해 고차 모드인 TE10 모드도 316mW의 전력으로 1270~1850nm 범위의 카컴을 여기시킨다. 또한, 카컴 생성 과정에서 고조파 발생에 의한 가시광선으로의 주파수 변환도 관찰되었다. 본 연구를 통해 AlN 기반의 대규모 저비용 통합 비선형 플랫폼을 구축할 수 있을 것으로 기대된다.

발표 내용:

최근 연구가 진행되면서 CMOS 대응 포토닉 집적회로를 이용해 주파수 콤을 생성하는 것이 가능해졌다. 그러나 현재 개발되고 있는 솔리톤 마이크로컴은 기존 전자기기가 감지할 수 있는 반복률보다 훨씬 높은 반복률로 동작하기 때문에 마이크로파 포토닉스에 사용하기가 어려웠다. 본 논문에서는 널리 사용되는 두 개의 마이크로파 대역인 X밴드(~10GHz), K밴드(~20GHz)에서 동작하는 솔리톤 마이크로컴을 시연한다. 저잡음 파이버 레이저로 생성된 콤은 현대의 전자식 마이크로파 발진기에 필적하는 위상잡음 수준의 마이크로파 신호를 생성한다. 또한, 이러한 낮은 솔리톤 반복률은 향후 고밀도 파장분할 다중채널 생성에 중요한 요소로 다양한 응용이 가능할 것으로 기대된다.

발표 내용:

집적된 WGM 공진기를 기반으로 한 라만 레이저는 통신에서 바이오 검출에 이르기까지 다양한 응용 분야를 가능하게 했다. 이들 소자는 WGM 공진기의 높은 Q값을 이용하여 실리카의 낮은 라만 이득을 보완하고, 유도 라만 산란 레이저 발진을 mW 이하의 임계값으로 가능하게 했다. 그러나 동일한 비선형 광학 효과인 안티스토크스 라만 산란 레이저를 실현하기 위해서는 실리카의 낮은 라만 이득으로 인해 발진 효율이 낮은 레이저가 되어 버린다. 이에 본 연구에서는 공진기에 금속을 첨가하여 소자의 성능을 향상시켰다. 그 결과 SRS의 레이저 발진 효율은 10배 이상 향상되었으며, SARS에서도 mW 이하의 임계치 및 효율 향상을 확인하였다.

발표 내용:

발광형 태양열 집광기(LSC)는 태양빛을 수확, 지향 및 작은 영역에 집중할 수 있는 광자 관리 장치로, 태양광 에너지 변환을 향상시킬 수 있다. 태양광 에너지 변환을 향상시키기 위해 태양광 장치(PV)에 결합할 수 있는 광자 관리 장치입니다. 그러나 LSC의 고유한 광자 손실은 소위 본 연구에서는 LSCs의 광자 손실로 인해 광 수확 및 집광 성능이 크게 제한되는 것을 극복할 수 있는 간편하고 저렴한 효율적인 광자 반사체로서 3차원(3D) 거대 다공성 광결정(PC) 필터의 제작을 위한 접근법을 소개합니다. 우리는 QD 방출기의 방출 프로파일과 일치하도록 PC 반사 대역을 제어함으로써 PC 코팅 LSC(PC-LSC)의 광 포획 효율을 기존 PC 코팅 LSC 대비 73.3%에서 95.1%로 크게 향상시킬 수 있음을 입증했다. 또한, PC 반사판 효과를 고려한 시뮬레이션 모델을 개발하였으며, 실험 및 시뮬레이션 결과, PC 코팅 LSC의 광포획 효율이 기존 PC- free LSC 대비 73.31.3%에서 95.1%로 크게 향상되었음을 확인하였다. 실험 및 시뮬레이션 결과, PC 반사판에 의한 LSC 소자 성능 향상은 크기가 커질수록 증가하는 것으로 나타났다. 실제로 시뮬레이션 데이터에 따르면, PC-LSC의 외부 양자효율(EQE) 및 농도계수(C factor)가 최대 13.3배 향상될 것으로 예측하고 있다. 또한, 시뮬레이션 결과를 통해 광자 출력과 기하학적 설계의 관계도 확인할 수 있었다. 효율과 PC-LSC의 기하학적 설계의 관계에 대한 통찰력을 제공한다. 우리의 연구는 향후 광자 수집 및 집광 효율이 향상된 LSC 소자의 설계 및 제작에 대한 빛을 비춘다. 수집 및 집광 효율이 향상된 LSC 소자의 설계 및 제작에 도움이 될 것으로 기대된다.

발표 내용:

소산성 커서톤 간의 상호작용과 다중화에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다. 솔리톤 간의 상호작용을 연구하는 데 효과적인 것은 서로 다른 솔리톤끼리 묶여 있는 상태인 솔리톤 분자(soliton molecule)이다. 미세광공진기 내부에서의 솔리톤 분자의 형성은 분산파에 의해 비교적 넓은 간격(적어도 솔리톤의 폭보다 넓은 간격)으로 솔리톤끼리 묶여 있는 등핵 솔리톤 분자(homonuclear soliton molecule)만이 관찰되었다. 예를 들어 멀티 솔리톤이나 솔리톤 결정이 이에 해당한다.
본 논문에서는 군속도가 서로 다른 솔리톤 간의 상호 위상 변조에 기인하여 기존보다 좁은 간격(솔리톤의 폭 정도 혹은 그 이하)으로 솔리톤끼리 묶이는 이핵 솔리톤 분자(heteronuclear soliton molecule)의 형성을 확인하였다. 이핵 솔리톤 분자의 스펙트럼은 일반 솔리톤의 스펙트럼과 다른 구조를 보여 다양한 분야로의 응용이 기대되고 있다.

발표 내용:

밸리 포토닉 크리스탈(VPhC)은 포토닉 집적회로(PIC)에 토폴로지 보호 광도파관을 구현하기 위한 매력적인 플랫폼이다. 토폴로지 도파관에서 슬로우 라이트 모드의 실현은 PIC의 소형화 및 기능화로 이어질 수 있다. 본 논문에서는 반도체 슬래브 기반 VPhC에서 토폴로지 슬로우 라이트 도파관을 구현하기 위한 방법을 보고한다.

발표 내용:

포토닉 결정을 이용한 전광 스위치에 관한 연구는 많이 진행되어 왔다. 광결정에는 실리콘이나 Ⅲ-Ⅴ족 반도체(InGaAsP)가 많이 사용되는데, 본 연구에서는 두 가지의 장점을 살리기 위해 Si 광결정과 InAsP/InP 나노와이어를 이용한 스위칭을 수행하여 스위칭 성능을 향상시키는데 성공하였다.

발표 내용:

단일 다크 펄스 스카콤이 1.84 Pbit / s의 데이터를 전송하기에 충분한 높은 잡음비를 생성 할 수 있음을 보여줍니다. 이는 32Gbaud, DP-QAM으로 변조된 223WDM을 통해 37개의 코어 파이버에서 달성되었다.

발표 내용:

최근 몇 년 동안, 마이크로 광 공진기의 주파수 마이크로컴은 다양한 물리 현상을 통해 레이저 주파수컴에 근접한 정밀도를 달성하였다. 그러나 지금까지 마이크로컴의 동적 현상의 기원과 고출력 안정성을 실시간으로 조사하는 것은 완전히 달성되지 않았다. 본 연구에서는 마이크로컴이 카오틱 상태에서 모드 록킹하기까지의 전이 동역학을 규명한다. 또한, 분산 제어를 한 공진기를 고속 공진기 동역학을 이해하고, 고출력 마이크로컴을 달성하기 위한 새로운 플랫폼으로 제안한다.

발표 내용:

포화흡수체는 고속 펄스를 생성하기 위해 사용되고 있으며, 지금까지는 반도체 포화흡수 미러(SESAM), 그래핀, 탄소나노튜브 등이 많이 사용되어 왔으나, 최근 새로운 포화흡수체의 개발이 이루어지고 있다. 본 연구에서는 사산화삼산화철을 가포화 흡수체로 사용한 모드 동기 펄스를 처음으로 실증하고, 그 특성을 측정하였다.

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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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