[논문 리뷰] Chip-Scale Continuously Tunable Optical Orbital Angular Momentum Generator

Jie Sun, Ami Yaacobi외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 14.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 26인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단일 전기 입력을 사용하여 자유롭게 조절 가능한 온도 조절 가능한 기반의 비공진, 원형 파손파이프 루프에서 연속적으로 조절 가능한 광학적 오비탈 각운동량(OAM) 상태—정수 및 비정수—를 생성하는 칩스케일 실리콘 포토닉 통합 회로를 제시한다. 그라피트 에미터를 갖춘 비공진, 연속 조절 가능한 열광학적 위상 이동소를 사용함으로써, 장치는 -4에서 +4까지의 연속적이고 파장에 독립적인 OAM 조정을 실현하며, 위상 해상도가 π 이하로 이루어져 있어 통신, 양자 광학 및 광학 조작 분야에서 비틀림 광선의 위상 구조를 동적으로 제어할 수 있다.

ABSTRACT

Light carrying orbital angular momentum (OAM) has potential to impact a wide variety of applications ranging from optical communications to quantum information and optical forces for the excitation and manipulation of atoms, molecules, and micro-particles. The unique advantage of utilizing OAM in these applications relies, to a large extent, on the use of multiple different OAM states. Therefore, it is desirable to have a device that is able to gen- erate light with freely adjustable OAM states in an integrated form for large- scale integration. We propose and demonstrate a compact silicon photonic integrated circuit to generate a free-space optical beam with OAM state con- tinuously tuned from a single electrical input signal, realizing both integer and non-integer OAM states. The compactness and flexibility of the device and its compatibility with complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) pro- cessing hold promise for integration with other silicon photonic components for wide-ranging applications.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 포토닉 시스템을 위한 자유롭게 조절 가능한 OAM 상태를 생성할 수 있는 소형 통합 포토닉 장치를 개발하는 것.
• 이전 장치들이 정수 또는 공진 상태의 OAM 상태만 생성할 수 있었던 제한을 극복하여 정수 및 비정수 l-값을 모두 포함한 연속적인 조정을 가능하게 하는 것.
• 비공진, 능동 제어가 가능한 위상 이동소를 사용하여 파장에 독립적인 OAM 조정을 실현함으로써 광대역 운영을 가능하게 하는 것.
• 광학 통신, 양자 정보 및 광학 조작 분야에서의 응용을 위해 OAM 생성 장치를 다른 실리콘 포토닉 구성 요소와 대규모 통합할 수 있도록 하는 것.
• 고위상 정확도와 빠른 반응 속도를 갖춘 단일 전기 제어 신호를 통해 OAM 상태를 실시간으로 동적으로 재구성할 수 있도록 하는 것.

제안 방법

• 장치는 N개의 유닛 세포로 구성된 원형 실리콘 버스 파손파이프를 사용하며, 각 유닛 세포에는 방향성 커퍼, 열광학적으로 조절 가능한 위상 이동소, 그리고 그라프트 기반 광학 에미터가 포함되어 있다.
• 변동 가능한 갭을 갖춘 방향성 커퍼를 통해 각 유닛 세포에 전력이 공급되어 루프 전반에 걸쳐 균일한 전력 분포를 확보한다.
• 파손파이프에 내장된 저항성 히터가 열광학 효과를 통해 국소적이고 조절 가능한 위상 이동을 제공하며, 이로써 인접한 유닛 세포 간의 상대 위상 조절이 가능해진다.
• 위상 이동 Δφ는 히터의 전력에 의해 제어되며, 이는 l = Δφ / (2π) × N의 관계에 따라 OAM 상태 l의 동적 조정을 가능하게 한다. 여기서 N은 유닛 세포의 수이다.
• 그라프트 에미터(3.0 μm × 2.8 μm)는 고효율, 광대역(＞200 nm)의 자유공간으로의 OAM 비트 방출을 가능하게 한다.
• 비공진 설계는 모드 락킹 제약을 피하며, 연속적인 위상 제어를 통해 비정수 OAM 상태의 생성을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형 통합 포토닉 회로가 정수 및 비정수 l-값을 모두 포함한 연속적인 OAM 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 단일 전기 제어 신호를 사용하여 파장에 독립적인 OAM 조정을 실현할 수 있는가?
• RQ3 히터가 꺼져 있거나 2.8 mW로 설정되었을 때, 장치가 여러 C밴드 파장에서 일관된 OAM 상태 제어를 유지하면서 광대역 운영을 수행할 수 있는가?
• RQ4 위상 해상도가 π 이하이고 반응 속도가 빠른 조건에서 OAM 상태를 실시간으로 동적으로 재구성할 수 있는가?
• RQ5 장치가 다른 실리콘 포토닉 구성 요소와 통합되어 통신 및 양자 기술 분야의 칩스케일 OAM 시스템을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 히터 전력 3.5 mW에서 10 mW로 변화시킴으로써 OAM 상태를 l = -4에서 l = +4까지 연속적으로 조정하였으며, 측정된 열광학적 효율은 π 위상 이동당 12.2 mW였다.
• 측정된 OAM 상태는 시뮬레이션 결과와 밀도적으로 일치하여 실리콘 포토닉 제조 공정의 높은 위상 제어 정확도와 내구성을 확인하였다.
• 비정수 OAM 상태(예: l = +1.5)가 성공적으로 생성되었으며, 근거리 영상 및 영상 기록(Movie S1 및 S2)을 통해 한 정수 상태에서 다음 정수 상태로의 비틀림 구조의 동적 진화가 확인되었다.
• 장치는 네 개의 C밴드 파장(1466 nm, 1490 nm, 1515 nm, 1541 nm)에서 작동하였으며, 히터가 꺼져 있거나 2.8 mW로 설정되었을 때도 일관된 OAM 상태 제어를 유지하여 파장에 독립적인 조정을 입증하였다.
• OAM 상태의 재구성 시간은 수마이크로초 수준으로 추정되며, 액정 기반 공간 빛 조절기(SLM)의 밀리초 수준보다 훨씬 빠르다.
• 비공진, 광대역 설계는 단일 전기 제어로 다중 파장에서의 동시 작동을 가능하게 하여, 향후 공간 분할 multiplexing(SDM) 광통신에서의 파장 분할 다중화(WDM) 통합을 지원한다.