칩

실리콘 기반 집적 회로는 무어의 법칙을 따르고 있으며 반도체 기술의 많은 기술 발전에 힘입어 왔습니다. 이제 연구자들은 광자 IC의 출현으로 기존 회로 아키텍처를 넘어서고 있습니다. 그러나 실리콘 칩에 신뢰할 수 있는 레이저 소스가 없다는 점은 실리콘 포토닉 IC의 잠재력을 제한하는 주요 장애물이었습니다.

이 기사에서는 이러한 문제를 다루는 스탠포드 대학의 새로운 연구를 검토합니다.

레이저는 광학 시스템 온 칩의 핵심 구성 요소이지만 아이솔레이터와 관련된 기술적 문제로 인해 칩에서 유지 관리가 어렵습니다. 레이저의 빛은 자체적으로 반사되어 레이저를 불안정하게 하거나 비활성화할 수 있습니다. 따라서 기존의 광섬유와 부피가 큰 광학 시스템은 패러데이 효과를 활용하는 광 아이솔레이터를 사용합니다. 이 접근 방식은 칩에서 복제 가능하지만 CMOS(상보형 금속 산화물 반도체) 기술과 호환되지 않기 때문에 확장성은 여전히 ​​문제로 남아 있습니다.

무자석 절연체나 패러데이 효과에 의존하지 않는 절연체를 만드는 기술도 발전했습니다. 그러나 이는 복잡하고 전력 소모적인 시스템으로 이어집니다.

Stanford University의 연구원들은 Nature Photonics에 발표된 논문에서 이상적인 절연체는 완전히 수동적이고 자석이 없어 확장 가능하고 CMOS 기술과 호환될 것이라고 제안했습니다. 그들은 잘 알려진 반도체 재료로 효과적인 패시브 칩 규모 절연체를 만들었습니다.

광 아이솔레이터는 빛을 한 방향으로만 투과시켜 반사파를 효과적으로 상쇄합니다. 패러데이 효과에 의존하는 절연체는 자기장이 가해질 때 빛의 편광에 회전을 일으키는 절연체의 주요 구성 요소인 패러데이 회전자를 사용합니다.

편광 의존형 아이솔레이터는 입력 편광판, 패러데이 회전자 및 출력 편광판을 사용합니다. 빛이 반대 방향으로 이동하는 경우 입력 편광판은 빛을 45도 편광합니다. 패러데이 회전자는 다시 45도 회전합니다. 출력 편광판이 수직으로 정렬되어 있으므로 수평 편광 반사광이 취소됩니다.

반면, 편광 독립형 아이솔레이터는 먼저 입력 빔의 직교 성분을 편광기로 분할합니다. 그런 다음 패러데이 회전기를 통해 전송하고 입력 편광판에서 결합합니다. 반사된 빛은 오프셋과 함께 나타나며 통과할 수 없습니다.

이러한 시스템은 CMOS 기술과 호환되지 않으므로 칩에 구현하기가 매우 어렵습니다.

스탠포드 연구진이 시연한 통합 연속파 절연체는 커 효과와 함께 작동합니다. 일반적인 반도체 소재 중 하나인 질화규소(SiN)로 만들어 대량생산이 용이하다.

커 효과(Kerr effect)는 등방성 물질이 전기장 하에서 복굴절성을 띠고 빛으로 인한 전기장이 물질의 굴절률에 변화를 일으키며 이는 빛의 조사량에 비례한다는 것을 시사합니다.

후자의 효과는 레이저와 같은 강렬한 빔의 경우 훨씬 더 중요해집니다. SiN 링의 커 효과는 링의 시계 방향과 반시계 방향 모드 사이의 축퇴를 끊고 비대칭 방식으로 파동 전송을 허용합니다.

1차 레이저 빔은 SiN 링을 통과하여 광자가 링 주위를 시계 방향으로 회전하게 만듭니다. 동시에 반사된 광선은 광자를 시계 반대 방향으로 회전시킵니다.

링 내부의 순환은 에너지 축적으로 이어집니다. 증가하는 전력은 더 약한 빔(이 경우 반사된 빔)에 영향을 미치는 반면, 더 강한 빔은 영향을 받지 않습니다.

스탠포드 대학의 전기 공학 교수이자 이번 연구의 수석 저자인 Jelena Vučković와 그녀의 팀은 개념 증명으로 프로토타입을 제작하고 우수한 성능을 달성하기 위해 캐스케이드에서 두 개의 링 아이솔레이터를 결합하는 방법을 시연했습니다. 그들은 또한 링 공진기의 결합을 변경함으로써 분리와 결합과 관련된 손실을 상쇄할 수 있다고 보고했습니다.