Journal Club 2021년 | Tanabe Photonic Structure Group

Journal Club

연도별(4월-12월)

2021년도

발표 내용:

서브 하모닉 위상 변조 광 여기 미세 공진기에서 완전 솔리톤 결정 (PSC) 발생을 수치 적으로 조사했다. 변조된 펌프 주파수 성분의 일부는 변조된 펌프 모드와 공진기 모드 사이의 버니어 효과를 통해 미소 공진기 내에 결합되어 솔리톤 형성을 위한 처프된 주기적 파를 형성한다. 펌프 효율의 향상에 의해, 10GHz 정도의 FSR을 갖는 미소광 공진기에서, 5-20개의 솔리톤을 갖는 PSC가 실증되었다. 또한, 변조기를 제거함으로써 PSC의 상태를 유지하면서 펌프 파워를 감소시킬 수 있음이 밝혀졌다. 본 연구에서 제안한 방식은 솔리톤 다이나믹스의 연구에 새로운 방법을 제공하여 솔리톤의 응용의 자유도를 높이는 것이다.

발표 내용:

자유 전자빔은 미세 구조와 조성에 대한 다용도 프로브입니다. 전자와 광자의 상호작용에 의해 지난 10년간 이미징 기술과 4차원 현미경 기술에 큰 발전이 있었다. 그러나 전자빔은 일반적으로 빛과는 약하게 결합하는 것만으로 전자의 제어와 검출에 보다 강한 상호작용이 요구되고 있었다.
본 연구에서는 휘스퍼링 갤러리 모드 공진기를 사용하여 자유 전자빔과 공진기 모드를 결합한다.
이를 통해 전파하는 전자의 스펙트럼 폭을 700 전자 볼트로 확장하는 데 성공했습니다.

발표 내용:

광 집적 회로는 저렴하고 칩 크기의 광학 소자를 제작할 수 있기 때문에 최근 주목 받고 있습니다. 그 중에서도 레이저는 광 집적 회로에서 중요한 소자이며 최근에 다층 헤테로지니어스 집적에 의한 SiN 도파로와 완전히 일체화가 실현되었습니다. 그러나 포토닉스 용도가 집중하는 통신용 파장에서는 큰 모드 천이 손실, 최적화되지 않은 공진기 설계, 복잡한 제조 프로세스 등의 이유로 높은 소자 수율과 고출력을 실현하는 레이저는 아직 존재 그렇지 않습니다. 이 논문에서는
이러한 문제를 해결하고, SiN 도파로를 통해 수십 밀리와트의 출력을 가지며, 서브 kHz의 기본 선폭을 가지는 고성능 SiN 레이저를 보고한다.

발표 내용:

소형의 광 주파수 콤 광원으로서 주목받고 있는 솔리톤 콤이지만, 낮은 변환 효율이 과제가 되고 있다. 본 논문에서는 분산이 낮은 실리콘 나이트 라이드 공진기를 펄스 여기함으로써 고효율 광대역 솔리톤 콤을 실현했다. 또한 여기 광의 지터가 솔리톤 콤에 미치는 영향을 정량적으로 밝혔다.

발표 내용:

본 논문은 단일 레이저로 여기 된 마이크로 공진기의 주파수 콤이 IMDD 방식을 사용하여 고속 데이터 전송에 사용됨을 보여준다. 30Gb/s의 NRZ 변조 방식과 60Gb/s의 PAM4 변조 방식으로 각각 120Gb/s와 240Gb/s의 데이터 전송을 2km의 광섬유로 실현하여 PSM4(Parallel Single Mode)나 CWDM4(Course Wavelength Division) Multiplex)의 멀티 소스 협정에 규정 된 도달 거리, 단일 레인의 데이터 속도 및 집계 데이터 속도를 초과하는 것으로 확인되었습니다. Back-to-Back 특성화와 비교하여 0.1dB의 매우 낮은 전력 손실을 달성했기 때문에 비용 및 전력에 민감한 데이터 센터 트랜시버 업계에서 CMOS 호환 마이크로 공진기의 주파수 콤을 사용했습니다. 고속 데이터 전송이 실현 가능한 기술임을 나타냅니다.

발표 내용:

메타 서페이스는 나노 구조의 서브 파장 어레이로 구성된 인공 재료이며 위상 제어 도구로서 다양한 파면 엔지니어링을 가능하게한다. 본 논문에서는 비 에르미트 메타 표면의 특이점 부근의 토폴로지 특성을 이용하여 새로운 위상 제어 메커니즘을 입증했다.

발표 내용:

실리콘 마이크로 링 공진기의 공진 주파수 튜닝을 3D 프린트 한 마이크로 유체 칩을 광 회로에 직접 겹쳐 사용함으로써 소비 에너지 제로로 행하는 방법의 실증을 실시했다. 실험에는 다른 농도의 NaCl 수용액을 사용하여, 예를 들어 10% 정도의 NaCl 농도에서는 자유 스펙트럼 영역 이상의 공진 주파수 시프트를 달성했다.

발표 내용:

물리적 시스템의 토폴로지 특성을 제어하는 것은 결함에 강한 장치와 기술을 개발하기위한 기반이됩니다. 본 논문에서는 토폴로지, 비밀폐성, 비선형성의 상호작용에 의해 기본적인 역학이 구동되고 조정되는 포토닉 플랫폼을 제안하였다. 레이저로 기록 된 도파관을 연속적으로 ( "이득") 또는 분할 ("손실")하고 계면 결함에 결합 된 광 격자를 사용하여 패리티 시간 대칭의 비선형 제어 및 비 헬미티 의 토폴로지 상태의 비선형성으로 인한 복원 또는 파괴가 입증되었습니다. 이러한 개념은 강도에 의존하는 이득 및 손실을 갖는 광범위한 비 헬미티 시스템에 적용될 수 있으며, 빛을 조작하기 위한 새로운 접근법의 가능성을 열어준다.

발표 내용:

광 신경망 (ONN)은 계단식으로 연결된 마하 젠더 간섭계 (MZI)를 사용하여 구현되며 기존의 심층 학습 하드웨어를 대체 할 수 있습니다. ONN은 기존의 전기 신경망에 비해 높은 에너지 효율과 계산 속도를 실현하지만 MZI에 의한 큰 풋 프린트가 필요합니다. 이 논문은 새로운 MZI 대신 패리티 타임 대칭성을 사용하는 커플러를 사용하여 문제를 해결하고 MZI를 사용하는 경우와 비교하여 더 빠르고 저에너지 ONN 구현 가능성을 제안 한다.

발표 내용:

마이크로 공진기에서 발생하는 모드 동기 펄스 인 소산성 커서리톤은 통신이나 분광 등 다양한 응용이 기대되고있다. 그러나 기본 솔리톤 상태를 결정 론적으로 생성하는 것은 여전히 어렵습니다. 본 연구에서는 외부의 연속파 구동 펌프에 고에너지의 펄스 트리거를 연속적으로 인가함으로써 기본 솔리톤 상태뿐만 아니라 복수 솔리톤 상태나 솔리톤 크리스탈 상태로 결정론적으로 진화시킬 수 있음을 이론 로 나타냅니다. 이 방법은 연속 파 펌프 주파수를 스캔 할 필요가 없기 때문에 턴키로 솔리톤을 생성 할 수 있습니다.

발표 내용:

솔리톤 마이크로콤에서 52라인의 슈퍼채널을 실현해 80km 전송으로 10bit/s/Hz, 2100km 전송으로 6it/s/Hz로 높은 스펙트럼 효율을 달성했다. 마이크로 스케일 디바이스의 출력으로부터 직접 콤의 반복에 가까운 심볼 레이트로 광대역 파형을 생성하는 실현성과 이점을 입증했다.

발표 내용:

최근, 산란체를 이용한 파면 성형은, 수차가 없는 서브 파장의 집속 등으로, 종래의 광학계를 넘는 광학 조작을 가능하게 하고 있다. 그러나, 산란체의 입출력 측정이 필요하고, 측정의 과제가 실용에 대한 허들이 되고 있다. 여기서 본 논문은, 사전에 설계가 알고 있는 랜덤한 메타서피스를 이용하여 이 과제를 극복하는 내용이 되어 있다. 또한 메타 서페이스를 사용하여 높은 개구 수의 초점을 약 8mm의 시야로 확장 한 이미징을 수행합니다.

발표 내용:

SiO2 마이크로 토로이드 공진기를 사용하는 광 MEMS에 대해보고한다. 전극을 패터닝 한 WGM 공진기를 사용하여 "capacitive tuning"에 의한 공진 모드의 고속 튜닝을 실시했다. 이러한 튜닝은 무선 주파수에서 광 주파수로의 효율적인 주파수 변환 및 광 스위치 등에의 응용을 가능하게한다.

발표 내용:

양자광, 특히 모든 자유도에서 구별할 수 없는 상관 광자 쌍의 광원은 광양자 계산이나 시뮬레이션의 기반이 된다. 이러한 광원은 최근 집적 포토닉스를 사용하여 실현되었지만, 링 공진기와 같은 단일 부품에 의존하기 때문에, 생성된 광자들 사이의 스펙트럼 및 시간 상관을 조정한다. 하는 능력은 한정되어 있다. 본 연구에서는 2 차원 어레이 공진기로 구성된 토폴로지컬 시스템에서 듀얼 펌프에 의한 자발적 4 파 혼합을 사용하여 구별 할 수없는 광자 쌍의 조정 가능한 광원을 실현했다. 본 연구에서는, 토폴로지컬 엣지 상태의 선형 분산을 이용하여 스펙트럼 대역폭을 조정하고(약 3.5배), 2개의 펌프 주파수를 조정함으로써 생성된 광자간의 양자 간섭을 조정할 수 있었다 . 또한 에너지 - 시간 얽힘을 입증하고 수치 시뮬레이션을 사용하여이 광원의 토폴로지컬 견고성을 확인했습니다. 본 연구의 결과는 광양자 기술을 실현하기 위한 조정가능한 주파수 다중중량자 광원으로 이어질 수 있다.

발표 내용:

시공간 궤도각운동량을 가지는 빛(ST-OAM)은 최근 발견된 구조화된 국소적인 전자기장의 일종이며, 시공간의 나선상의 위상구조와 횡방향의 고유궤도각운동량을 가진다. . 이 논문에서는 ST-OAM 펄스의 두 번째 고조파 생성과 그 특성을 밝혔다. 또한이 실험은 일반적인 빛의 궤도 각 운동량과 유사한 일반적인 ST-OAM의 비선형 성을 시사합니다.

발표 내용:

본 연구에서는 소산성 커서리톤의 비 상반적인 제어를 회전시키는 미소 공진기를 사용하여 수행한다. 공진기의 회전 방향으로 진행하는 빛과 역방향으로 진행하는 빛에서는 Sangnac-Fizeau optical drag 효과에 의해 다른 솔리톤 상태를 생성 할 수있었습니다. 이 결과는 솔리톤에 의한 광 아이솔레이터 및 일방 통행의 솔리톤 통신을 향한 유망한 길을 제공한다.

발표 내용:

본 논문에서는 실리콘 마이크로 공진기에서 유도 된 라만 산란과 고차 분산의 영향을받는 브리징 어두운 펄스와 라만 카 콤의 발생을 이론적으로 연구했다. 다크 펄스는 라만 이득선 폭에 비해 상대적으로 큰 FSR을 갖는 마이크로 공진기에서만 존재한다. 고차 분산에 의해 유도 된 어두운 펄스는 주로 3 차 분산 계수의 진폭과 부호에 의존하며, 그 특성은 라만 어시스트에 의한 사광파 혼합 프로세스에도 영향을 받는다. 이러한 존재를 알면 정상 분산을 나타내는 마이크로 공진기에서 라만 카 콤 형성과 관련된 불안정성을 이해하고 실용화를 위해 이러한 불안정성을 피할 수 있습니다. 또한 분산파를 통해 생성된 광대역 MIR 마이크로콤은 공진기 제작의 자유도를 높여 정상 분산이 지배적인 플랫폼에서 주파수 콤을 획득할 수 있게 한다.

발표 내용:

니오브산리튬(Lithium niobate: LN)은 큰 2차 비선형 광학 계수와 3차 비선형 광학 계수를 갖고, 다양한 용도에 응용이 이루어지고 있다. 그러나 LN의 라만 효과와 다른 비선형 광학 효과의 상호 작용은 아직 잘 연구되지 않았다. 본 논문에서는 LN을 이용한 미소 공진기에 대해 라만 효과를 평가하고 있다. 또한, 비선형 광학 효과에 의해 발생하는 광 카콤을 발생시키고, 광 카콤 발생에 대한 라만 효과의 영향을 평가하였다.

발표 내용:

종래의 반도체 레이저에서는 어려운 저비용이고 컴팩트하고 고피크 파워(수십~수백 와트 이상)의 단 펄스 동작을 가능하게 한 2차원적으로 배치된 이득부와 손실부를 갖고, 손실부가 가능 포화 흡수체로 구성된 광결정 레이저(또는 광결정면 발광 레이저(PCSEL))를 제안하였다. 캐리어와 광자의 상호작용을 고려하여 PCSEL의 이득과 손실의 거동을 해석해 설계를 실시해, 실제로 안정된 고피크 파워 단펄스 동작을 가능하게 하는 구조를 실증했다.

발표 내용:

전류를 흘리는 것만으로 솔리톤 콤을 발생시킬 수 있는 턴키 솔리톤은 작년 Nature에서 보고되어 큰 충격을 가져왔다. 미세 광 공진기와 반도체 레이저를 직접 결합하여 셀프 인젝션 록을 일으켜 레이저는 자동적으로 레드 디튠이 되어 레이저의 파장을 제어하기 위한 복잡한 기구는 불필요하게 되었다. 이 논문에서는 지금까지 별도의 칩 상에 형성되어 있던 반도체 레이저와 실리콘 나이트 라이드 공진기를 하나의 동일한 기판 상에 형성함으로써 턴키 솔리톤의 추가 집적화에 성공하여 다 파장 광원으로서의 실용화에 크게 접근했다.

발표 내용:

WGM 마이크로 공진기를 사용하는 광 주파수 콤은 WDM 전송 시스템의 높은 스펙트럼과 에너지 효율을 얻는 큰 가능성을 가지고있다. 그러나 실리카 미소구의 통신 응용은 거의 연구되지 않았다. 본 논문에서는 실리카 미소구를 이용한 200GHz의 광 주파수 콤의 수치적인 검토와 최적화를 실시하여 4채널 WDM 전송 시스템에의 실장을 시뮬레이션하고 있다.

발표 내용:

편광의 제어는 매우 중요한 기술이며, 다양한 용도가 고려된다. 그러나 기존의 편광 광학에서는 단일 횡단면에서만 편광을 조작 할 수 있습니다. 본 논문에서는 입사 편광에 의존하지 않고 전파 방향을 따라 임의의 편광 응답을 제공하는 새로운 메타 서페이스를 제안한다. 이 기술은 메타 서페이스 설계의 자유도를 증가시키고 더 많은 상황에서 메타 서페이스의 사용을 확장시킬 수 있습니다.

발표 내용:

액체에 의한 광학 디바이스의 제작은 매력적인 연구로 주목받고 있습니다. 이러한 광학 장치의 재구성 가능한 형상 제어를 통한 주파수 튜닝은 액체의 본질적인 특성 때문에 어려웠다. 본 논문에서는 잉크젯법을 이용하여 수용액 표면에 액체만으로 구성된 WGM 마이크로 레이저를 제작하고, 계면활성제를 이용하여 수용액과 WGM 마이크로 레이저 사이의 표면 장력을 제어함으로써 형상을 재구성 가능한 한 레이징 주파수를 조정하는 데 성공했습니다. 또한이 방법을 사용하여 수용성 유기 화합물을 감지했습니다. 이 결과는 미세한 수준의 유체 감지 및 바이오 감지에 대한 응용을 기대할 수 있습니다.

발표 내용:

양자 컴퓨터는 고전적인 컴퓨터에서 다루기가 어렵다고 생각되는 특정 계산을 수행 할 수 있습니다. 보손 샘플링은 이러한 계산 중 하나이며, 본 연구에서는 50 개의 식별 불가능한 단일 모드 스퀴즈 상태를 완전한 연결성과 랜덤 행렬을 갖춘 100 모드 초저 손실 간섭계에 입력 , 100 개의 고효율 단일 광자 검출기를 사용하여 샘플링하여 수행했습니다. 출력 상태 공간의 차원은 10 ^ 30이었고 샘플링 속도는 최첨단 슈퍼 컴퓨터를 사용하는 것보다 10 ^ 14 빨라지는 결과를 얻었습니다.

발표 내용:

Exceptional Points(EP)를 이용한 비에르미트계는 포토닉스, 음향, 광학, 일렉트로닉스에서 원자 물리학에 이르기까지 다양한 분야에서 많은 특이한 현상을 일으킬 가능성을 가지고 있다. 본 논문에서는 광파라메트릭 발진기(OPO)를 결합시킨 비에르미트계를 소개하고, 레이저의 이득과 손실에 의존하는 종래의 비에르미트계와 비교하여 그 이점을 밝힌다. 특히 2개의 결합된 OPO에 의한 스펙트럼의 패리티 대칭성의 붕괴를 나타내고, 그 축퇴 동작과 비축퇴 동작 사이의 EP를 나타낸다.

발표 내용:

마이크로 라이트 공진기에서 유도 된 브릴 루앙 산란에 의한 브릴 루앙 레이저를 생성하고 동일한 공진기에서 브릴 루앙 레이저를 여기 광으로 사용하여 소산성 커서 리톤을 생성합니다.
이 기술을 사용하면 입력 광은 청색 디튜닝 상태에서 공진 주파수에서 브릴 루언 레이저를 red-detuning 상태로 생성 할 수 있으므로 레이저 피에조에 의한 간단한 파장 스윕으로 단일 솔리톤에 액세스 할 수 있습니다. 또한 생성 된 브릴 루언 레이저의 초 좁은 선폭과 저잡음 특성으로 인해 관찰 된 솔리톤은 좁은 선폭의 콤선과 안정된 반복률을 나타냅니다.

발표 내용:

제5세대(5G)의 무선 액세스 네트워크에서는 데이터 레이트, 소비 전력, 대역 등의 면에서 보다 좋은 성능이 기대되고 있지만, 5G에 있어서의 수동 광 네트워크(PON)에 대해서도 이 점은 예외로는 아니다.
본 연구에서는 수직 공진기 면 발광 레이저 (VCSEL)의 이득 스위칭에 의해 생성 된 광 주파수 콤을 사용하여 오류가없는 데이터 신호와 클록 신호의 동시 전송을 입증했다. 이것은 차세대 파장 분할 다중 방식의 수동 광 네트워크 시스템 (WDM-PON)에의 응용을 목적으로한다. 채널 용량의 향상과 엄격한 지연의 감시가 요구되는 장래의 WDM-PON에 있어서, 본 연구의 결과는 VCSEL에 의한 광 주파수 콤이 단순하고 절전인 네트워크를 실현할 수 있는 광원으로서 이용될 가능성을 시사한다.

발표 내용:

등간격의 시간 펄스로 구성된 솔리톤 크리스탈은 초고 반복을 실현하는 효과적인 수단이다. 본 논문에서는 비선형 모드 커플 링의 존재 하에서 솔리톤 크리스탈 생성을 조사했다. 적절한 파동 벡터의 불일치와 비선형 결합 계수의 조건 하에서 완벽한 솔리톤 크리스탈을 실현할 수 있음을 밝혔다.

발표 내용:

본 연구에서는 실리콘 포토닉 세선 도파관을 위해 큰 모드 크기를 갖는 새로운 파이버 칩 에지 커플러 접근법을 제안했다. 엣지 커플러의 구조는 SiO2 상부 클래드에 매립된 복수의 질화 실리콘층, 곡선된 도파로, 2개의 스폿 사이즈 컨버터(SSC)부로 구성된 다중 구조이다. 이 에지 커플러는 파장 1550nm에서 모드 필드 직경(MFD)이 8.2μm인 SMF-28 파이버용으로 설계되어 전체 결합율은 90%가 되었다.

Nature 591, 54-60 (2021)
JM Arrazola, V. Bergholm, K. Brádler, TR Bromley, MJ Collins, I. Dhand, A. Fumagalli, T. Gerrits, A. Goussev, LG Helt, J. Hundal, T. Isacsson, RB Israel, J. Izaac , S. Jahangiri, R. Janik, N. Killoran, SP Kumar, J. Lavoie, AE Lita, DH Mahler, M. Menotti, B. Morrison, SW Nam, L. Neuhaus, HY Qi, N. Quesada, A. Repingon, KK Sabapathy, M. Schuld, D. Su, J. Swinarton, A. Száva, K. Tan, P. Tan, VD Vaidya, Z. Vernon, Z. Zabaneh & Y. Zhang

발표 내용:

양자 컴퓨팅의 실용화로의 움직임으로 양자 알고리즘을 실행하기위한 프로그래머블 머신이 급증하고있다. 본 논문에서는 집적 나노 포토닉스 기술을 이용하여 다광자 양자 회로를 실행하는 시스템을 소개한다.

발표 내용:

미세 광 공진기에서 생성 된 솔리톤 콤을 광 검출기로 감지하면 반복 주파수에 따라 수십 GHz에서 수백 GHz의 RF 신호를 생성 할 수 있습니다. 이러한 RF 신호는 신호 발생기를 능가하는 위상 잡음 특성을 나타내므로 차세대 RF 신호 소스로 기대된다. 본 논문에서는 고성능을 향상시키기 위해 위상 잡음의 요인을 수치 계산 및 실증 실험에 의해 밝혔다.

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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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