슬롯-파형 게이지

Slot-waveguide

슬롯파장(slot-waveguide)은 파장 스케일 저 굴절률 영역에서 강하게 제한된 빛을 총 내부 반사에 의해 유도하는 광학파장이다.

슬롯 파장은 파장-저환산 지수(nS) 슬롯 영역으로 구분되고 저환산 지수(nC) 피복 재료로 둘러싸인 고환산 지수(nH) 재료의 2개의 스트립 또는 슬래브로 구성된다.

도식 2D 슬롯-파워가이드. 빛은 z 방향으로 전파된다.
3D 슬롯-파워가이드 도식화. 빛은 z 방향으로 전파된다.

작동 원리

슬롯파괴의 작동 원리는 고환상 지수 대비 인터페이스에서 전기장(E-필드)의 불연속성에 기초한다. 맥스웰 방정식은 인터페이스에서 전기 변위장 D의 정상 구성요소의 연속성을 만족시키기 위해 해당 E-필드가 저환산 지수 측에서 더 높은 진폭을 갖는 불연속성을 겪어야 한다고 설명한다. 즉, 유전 상수 ε과S ε의H 두 영역 사이의 인터페이스에서 각각 다음과 같다.

DSN=DHN
εSESN=εHEHN
nS2ESN=nH2EHN

여기서 위첨자 N은 D와 E 벡터 필드의 정상 성분을 나타낸다. 따라서S n <nH, 그렇다면SN E> EHN.

2D 슬롯-파워가이드의 전자 필드 프로필. E-벡터가 Y축과 평행함
3D 슬롯-파워가이드의 전자장 분포. 주요 E-필드 구성 요소가 X축과 평행임

슬롯 임계 치수(고인덱스 슬래브 또는 스트립 사이의 거리)가 유도파 구조의 기본 고유모드의 지수 붕괴 길이에 필적할 수 있으므로, 높은 지수 대비 인터페이스에 정상인 결과 E 필드가 슬롯에서 강화되어 그 전체에서 높은 상태를 유지한다. 슬롯의 전력 밀도는 높은 지수 지역보다 훨씬 높다. 파장 전파는 전체 내부 반사에 기인하므로 간섭 효과가 없고 슬롯 구조는 파장 민감도가 매우 낮다.[1]

발명

슬롯파괴는 2003년 코넬대에서 박사과정 학생이자 박사후 동료였던 빌슨 로사 데 알메이다와 카를로스 앙굴로 바리오스가 각각 고농축 실리콘 광파괴에서 금속산화반도체(MOS) 전기광학 변조에 관한 이론적 연구 결과로서 탄생했다. 2004년 코넬 연구진은2 Si/SiO 재료 시스템에서 1.55μm 작동 파장에서 구현된 첫 번째 슬롯파괴에 대한 이론적 분석과 실험 실증실험을 보고하였다.

이러한 선구적 작품 이후 슬롯파구이드 개념에 기초한 몇 가지 유도파 구성이 제안되고 실증되었다. 관련 예는 다음과 같다.

2005년 매사추세츠공대(MIT) 연구진은 환원율이 낮은 지역의 광학장을 늘리기 위해 동일한 유도파 구조(멀티슬롯 도파관)에 여러 슬롯 지역을 사용할 것을 제안했다.[3] 수평 구성에서 그러한 다중 슬롯 도파관에 대한 실험적인 실증 실험은 2007년에 처음 발표되었다.[4]

2006년, 슬롯-파파괴 접근법은 RWTH Aachen 대학의 연구자들에 의해 테라헤르츠 주파수 대역으로 확장되었다.[5] 캘리포니아 공과대학교의 연구진들은 또한 슬롯 도파관을 비선형 전기합성 폴리머와 결합하여 튜닝성이 매우 높은 링 변조기를 만드는 데 사용할 수 있다는 것을 증명했다.[6] 나중에 이 같은 원리로 인해 Baehr-Jones 외 연구진은 0.25V의[7][8] 예외적으로 낮은 구동 전압을 가진 마하-젠더 모듈레이터를 시연할 수 있었다.

2007년, 슬롯-파워가이드 작동 원리의 비계획적 구현이 배스 대학 연구진에 의해 입증되었다. 그들은 광결정 섬유의 길이를 따라 흐르는 파장 이하의 공기 구멍 안에서 광학 에너지의 집중을 보여주었다.[9]

최근 2016년에는 서로 오프시프트할 경우 도파관 쌍의 슬롯이 적절히 최적화되면 연결 계수를 100% 이상 높일 수 있어 도파관 사이의 유효 동력 커플링 길이를 크게 줄일 수 있는 것으로 나타났다. 하이브리드 슬롯(한 도파관에는 수직 슬롯이 있고 다른 도파관에는 수평 슬롯이 있음) 보조 양극화 빔 스플리터도 숫자로 입증된다. 이러한 슬롯 구조에서는 손실이 크지만 비대칭 슬롯을 이용하는 이 방식은 온칩 통합 광학 장치를 위한 매우 소형 광학 방향 쿠플러와 양극화 빔 스플리터를 설계할 가능성이 있다.

슬롯 도파관 벤드는 여러 개의 통합 마이크로 및 나노 광학 장치의 도파관 설계에 필수적인 또 다른 구조물이다. 도파관 굴곡의 이점 중 하나는 장치의 설치 공간 크기를 줄인다는 것이다. Si 레일 폭의 유사성에 근거하여 대칭 및 비대칭 슬롯 도파관인 슬롯 도파관의 급커브를 형성하는 두 가지 접근법이 있다.[11]

제작

Planar slot-waveguides는 Si/SiO와2[2][12][13] SiN34/SiO와2 같은 다른 재료 시스템에서 제작되었다.[14] 수직(슬롯 평면은 기판 평면에 정상이다)과 수평(슬롯 평면이 기판 평면에 평행하다) 구성은 모두 기존의 마이크로 및 나노 조립 기법을 사용하여 구현되었다. 이러한 처리 도구에는 전자 빔 리토그래피, 광석학, 화학 증기 증착[보통 저압 화학 증기 증착(LPCVD) 또는 플라스마 강화 화학 증기 증착(PECVD)], 열 산화, 반응 이온 식각 및 집중 이온 빔이 포함된다.

수직 슬롯-파형이이드에서 슬롯과 스트립 폭은 전자 또는 광-리토그래피 및 드라이 에칭 기법으로 정의되는 반면 수평 슬롯-파형이이드에서 슬롯과 스트립 두께는 박막 증착 기법 또는 열 산화 기법으로 정의된다. 박막 증착이나 산화 작용은 석판술이나 드라이 에칭 기법보다 레이어 치수를 더 잘 제어하고 높은 색인 대비 재료 사이의 인터페이스가 부드러워진다. 이를 통해 수평 슬롯-파형이 수직 구성보다 인터페이스 거칠기로 인한 산란 광학 손실에 덜 민감하게 된다.

비 평면(섬유 기반) 슬롯-파워가이드 구성의 제작도 기존의 마이크로 구조 광섬유 기술을 통해 입증되었다.[9]

적용들

슬롯파구이드는 기존 파구이드가 달성할 수 없는 수준에서 낮은 지수 재료에서 높은 E-필드 진폭, 광학 전력 및 광학 강도를 생성한다. 이 특성은 장과 활성 물질 간의 상호작용이 매우 효율적이므로 통합 광전자에서 모든 광학적 전환,[15] 광학적[16][17] 증폭 및 광학적 검출로 이어질 수 있다. 강한 전자장 구속은 나노미터 규모의 저지수 지역에서 국산화할 수 있다. 에서 처음 지적했듯이 슬롯 도파관을 사용하여 소형 광학 감지 장치의 감도를 크게 높이거나 근거리 광학 프로브의 효율성을 높일 수 있다.[1] 테라헤르츠 주파수에서 슬롯 도파관 기반 스플리터는 테라헤르츠 파장의 낮은 손실 전파를 가능하게 하도록 설계되었다. 장치는 입력의 출력 측 팔 길이 비율을 조정하여 최대 처리량을 달성할 수 있는 스플리터 역할을 한다.[25]

참조

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