과학자들은 기존 통념에 반하여 이전에는 광자 회로의 고밀도 통합에 부적합하다고 간주되었던 누설 모드와 관련된 새로운 결합 메커니즘을 발견했습니다. 이 놀라운 발견은 고밀도 광자 통합을 위한 길을 열어 광 컴퓨팅, 양자 통신, 광 감지 및 거리 측정(LiDAR), 광학 계측 및 생화학 감지와 같은 분야에서 광자 칩의 잠재력과 확장성을 변화시킵니다.
한국과학기술원(KAIST) 전기공학부 김상식 부교수와 텍사스공대 학생들은 Light Science & Application 저널 최근호에서 이방성 누설파가 SWG(Subwavelength Gating) 메타물질을 사용하여 밀접하게 간격을 둔 동일한 도파관 사이에서 혼선 제로를 달성할 수 있음을 입증했습니다. 이러한 반직관적인 발견은 낮은 감금으로 인해 문제가 되었던 횡자기(TM) 모드의 결합 길이를 크게 증가시킵니다.
이 연구는 증발파의 표면 깊이 제어 및 이방성 유도파 모드의 특수 결합을 포함하여 광학 혼선을 줄이기 위해 SWG 메타물질 사용에 대한 이전 작업을 기반으로 합니다. 최근 SWG는 포토닉스 분야에서 상당한 발전을 이루며 다양한 고성능 PIC 구성요소를 가능하게 했습니다. 그러나 TM 모드의 집적 밀도는 여전히 문제에 직면해 있으며 누화가 측면 전기(TE) 모드의 약 100배에 달해 고밀도 칩 집적을 방해합니다.
"우리 연구 그룹은 고밀도 광자 통합을 위한 SWG를 탐색해 왔으며 상당한 개선을 달성했습니다. 그러나 이전 방법은 TE 편광으로 제한되었습니다. 광자 칩에는 칩 용량을 두 배로 늘릴 수 있고 경사 필드 감지와 같이 때로는 TE보다 더 인기가 있는 또 다른 직교 편광 TM이 있습니다." Kim은 "TM은 도파관 종횡비가 일반적으로 낮고 제한이 적기 때문에 TE보다 밀도 있게 통합하기가 더 어렵습니다."라고 설명했습니다.
처음에 팀은 누출 모드가 도파관 간의 결합을 향상시킬 것으로 예상했기 때문에 SWG를 사용하여 누화를 줄이는 것이 불가능할 것이라고 생각했습니다. 그러나 그들은 누출 모드에 따른 이방성 섭동의 가능성에 초점을 맞추고 교차 상쇄가 달성될 수 있다고 가정했습니다.
누출 SWG 모드의 모달 특성에 대한 결합 모드 분석을 수행함으로써 유사한 누출 모드를 갖는 고유한 이방성 섭동을 발견하여 밀접하게 배치된 동일한 SWG 도파관 사이의 누화를 방지했습니다. 그들은 Floquet 경계 시뮬레이션을 사용하여 업계 표준 SOI(silicon-on-insulator) 플랫폼에서 실행 가능한 SWG 도파관을 설계했습니다. 스트립 도파관과 비교하여 누화 억제 효과가 중요하며 결합 길이가 2배 이상 증가합니다.
이 혁신은 또한 양자 통신 및 컴퓨팅, 광학 계측 및 생화학 감지에 잠재적인 영향을 미치면서 PIC 내의 소음 수준을 크게 줄입니다. 연구원들은 이 새로운 결합 메커니즘이 가시광선, 중적외선 및 통신 대역을 넘어 테라헤르츠를 포함한 다른 통합 포토닉스 플랫폼 및 파장 범위로 확장될 수 있다는 점을 언급하면서 자신들의 연구의 광범위한 의미를 강조했습니다.
이 놀라운 결합 메커니즘은 조밀한 광자 통합의 잠재력을 확장하고 기존 통념을 깨뜨리며 해당 분야를 발전시킵니다. 연구가 계속됨에 따라 포토닉스 산업은 밀도가 높고 잡음이 적으며 효율적인 집적 회로 기술을 향해 나아갈 가능성이 높습니다.